板式橡膠支座損傷對橋梁結構影響分析

阿布力孜·艾海提

(新疆交通規劃勘察設計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況及計算模型

借助有限元方法對阿克蘇西大橋電站橋進行模擬，該橋位于新疆阿克蘇地區國道219線K0+445.10處，橋梁跨徑為2～20 m，總長45.04 m，上部和下部結構分別為鋼筋混凝土T型預制梁與現澆混凝土U型橋臺，橋墩采用現澆鋼筋混凝土雙柱式。該橋上部結構T梁分別在跨中、四分點及梁端位置設置橫隔板，橫隔板采用底部預埋鋼板及焊接鋼板進行橫向聯系。橋墩和橋臺蓋梁頂面橫坡為1.5%，與橋面橫坡一致。橋臺與梁端及橋墩處均設置型鋼伸縮縫，橋梁均采用矩形板式橡膠支座GJZ200×250×49 mm，預制T梁和蓋梁、墩柱、橋面鋪裝均用C25混凝土進行澆筑。模型中橡膠支座的剛度約束各項值為SDx=EA/L=740 772 kN/m；SDy=SDz=GA/L=1 520 kN/m；SRx=GIp/L=6 kN/m；SRy=EIy/L=3 556 kN/m；SRz=EIz/L=2 228 kN/m。

2 對橋梁結構靜力效應的影響

2.1 損傷模型的建立

為分析板式橡膠支座損傷程度與結構靜力效應間對應關系，模型中對支座的剪切模量及各項約束剛度進行相應的折減。分別取支座完好無損情況(工況1)、支座剛度約束值的0.8倍，即損傷程度為20%(工況2)、0.6倍，損傷程度為40%(工況3)、0.4倍，損傷程度為60%(工況4)的四種工況，分別模擬計算橋梁結構在中載與偏載作用下的靜力效應。

2.2 工況2與工況1結果對比分析

將工況2下在中載、偏載作用下產生的結構各項靜力效應值與支座完好無損情況下(工況1)的計算結果進行對比分析，計算結果如表1所示。

表1 工況1與工況2下中載及偏載作用產生的結構靜力效應

從工況1與工況2下產生的結構靜力效應可知，板式橡膠支座損傷并不能引起支座豎向反力的大幅變化。隨著支座損傷程度的加重，支座的豎向反力雖有小幅減小，但在中載及偏載作用下支座豎向反力分別僅僅減小了1.82%、0.79%，支座豎向反力對支座損傷程度并不敏感。鋪裝層縱向剪應力、橫向剪應力及縱向正應力隨著支座損傷程度的加重，在中載及偏載作用下產生的應力值均呈增大的趨勢，在中載作用下鋪裝層最大縱向剪應力、橫向剪應力及縱向正應力由原來0.42 MPa、0.21 MPa、0.10 MPa分別增大了11.9%、9.5%、20%；在偏載作用下，鋪裝層最大縱向剪應力、橫向剪應力及縱向正應力由原來的0.47 MPa、0.23 MPa、0.12 MPa分別增大了4.26%、4.3%、16.7%，表明支座損傷程度的加重引起橋梁結構鋪裝層縱向剪應力、縱向正應力的大幅變化。豎向最大位移、T梁最大應力值則在中載作用下，隨著支座損傷加重，豎向最大位移分別由1.32 cm增大到1.53 cm，增幅15.9%，T梁最大應力值由4.45 MPa增大到4.61 MPa，增大3.6%；在偏載作用下，隨著支座損傷程度的加重，支座豎向最大位移、T梁最大應力值分別由1.65 cm增大到1.87 cm，7.31 MPa增大到7.49 MPa，分別增長了13.3%與2.5%，這說明支座的損傷會使T梁結構內部發生應力重分布，引起豎向最大位移和內部最大應力的增長。

2.3 四種工況結果對比分析

將支座剛度折減系數為0.6(工況3)和0.4(工況4)在中載及偏載作用下產生的結構靜力效應值分別進行統計，與工況1與工況2結構靜力效應比較分析板式橡膠支座在不同工況下結構響應變化的整體趨勢。

(1)支座反力

支座在四種不同工況下，中載及偏載作用下的支座反力值計算結果如圖1所示。

圖1 不同工況對支座最大反力的影響

由圖1中支座反力計算結果可知，隨著橡膠支座損傷程度的加重，支座的最大反力值逐漸減小，但減小幅度較?。划敯迨较鹉z支座剛度折減系數為0.6(損傷程度達到40%)時，與未發生任何損傷，正常工作狀況下的支座反力相比，中載與偏載作用下支座最大反力值減小幅度分別為0.96%、2.18%，表明支座損傷劣化程度對支座最大反力的影響不明顯。

(2)鋪裝層的縱向剪應力值

不同工況在中載與偏載作用下鋪裝層的縱向剪應力值如圖2所示。

由圖2中鋪裝層縱向剪應力計算結果可知，隨著橡膠支座損傷程度的加重，鋪裝層內縱向剪應力呈增大的趨勢，且增速逐步減緩；支座自完好無損，正常工作狀態到損傷程度達到40%，在中載作用下橋面鋪裝層最大剪應力分別從0.46 MPa增大到1.72 MPa；在偏載作用下從0.65 MPa增大到1.87 MPa，增大了2.74倍與1.88倍，這表明支座損傷程度的加重對橋面鋪裝層縱向剪應力大小產生較大影響。

圖2 不同工況對鋪裝層縱向剪應力的影響

(3)鋪裝層的橫向剪應力值

不同工況在中載與偏載作用下鋪裝層的橫向剪應力計算結果如圖3所示。

圖3 不同工況對鋪裝層橫向剪應力的影響

由圖3中計算結果可知，隨橡膠支座損傷程度的加重，鋪裝層內橫向剪應力也逐漸增大。板式橡膠支座自完好無損，正常工作狀態到損傷程度達到40%，在中載作用下的鋪裝層橫向最大剪應力由0.072 MPa增大到0.079 MPa，在偏載作用下由0.074 MPa增大到0.079 MPa，增幅分別為9.7%、6.7%。相比鋪裝層縱向剪應力的變化情況，橫向剪應力受支座損傷程度的影響較小，應力值變化并不顯著。

(4)梁體豎向位移值

不同工況在中載與偏載作用下梁體發生豎向位移計算如圖4所示。

圖4 不同工況對梁體豎向位移的影響

由不同工況下梁體發生的豎向位移計算結果可知，隨板式橡膠支座損傷程度的加重，梁體的最大豎向位移也逐漸增大。在中載作用下，板式橡膠支座完好無損的工作狀態下梁體發生的豎向最大位移由1.24 cm到損傷程度達到40%時的2.53 cm，增大了1.04倍，表明支座損傷程度的加重引起梁體豎向位移的較大變化。

(5)T梁應力值

不同工況在中載與偏載作用下T梁應力值如圖5所示。

從圖5中的應力變化趨勢圖可知，隨著橡膠支座損傷程度的加重，T梁最大應力逐漸增大。在中載作用下，板式橡膠支座無任何損傷的工作狀態下T梁最大應力由4.45 MPa到損傷程度為40%時的4.89 MPa，增大9.9%，T梁最小應則由-0.05 MPa增大到-0.34 MPa，增大了5.8倍。計算結果及變化趨勢表明，T梁內的拉應力分布狀況對支座受損傷程度的變化較為敏感。

圖5 不同工況對T梁應力的影響

3 對橋梁結構動力效應的影響

支座損傷不僅影響橋梁結構的靜力效應值，還會引起結構內動力效應的重分布。為研究支座損傷與結構動力效應關系，對T梁橋支座損傷程度及剛度進行相應的折減。分別取支座完好無損情況(工況1)、損傷折減系數0.8，損傷20%(工況2)、損傷折減系數0.6，損傷40%(工況3)、損傷折減系數0.4，損傷60%(工況4)的四種工況，對比橋梁結構自振特性的變化情況，分析橋梁動力效應對板式橡膠支座損傷情況的敏感程度。

3.1 支座無損傷時各階自振頻率

板式橡膠支座在完好無損的正常工作狀況下(工況1)，橋梁結構各階陣型自振頻率計算結果如表2。

表2 工況1下各階振型自振頻率

3.2 折減系數為0.8時各階自振頻率

板式橡膠支座損傷折減系數為0.8時(工況2)的橋梁結構各階陣型自振頻率計算結果如表3。

表3 工況2下各階振型自振頻率

3.3 折減系數為0.6時各階自振頻率

板式橡膠支座損傷折減系數為0.6(工況3)時的橋梁結構各階陣型自振頻率計算結果如表4。

表4 工況3下各階振型自振頻率

3.4 折減系數為0.4時各階自振頻率

板式橡膠支座損傷折減系數為0.4(工況4)時的橋梁結構各階陣型自振頻率計算結果如表5。

表5 工況4下各階振型自振頻率

對以上四種工況下的橋梁結構各階陣型自振頻率進行對比分析，對比結果如圖6所示。

圖6 不同工況對結構自振頻率的影響

由上述不同工況下的自振頻率計算結果與結構自振頻率變化趨勢圖可知，隨著支座損傷程度的加重，結構自振頻率逐漸減?。唤Y構一階自振頻率由支座完好無損時的2.35 Hz減小到折減系數為0.4時的0.84 Hz，相比完好無任何損傷時的正常工作狀態減小21.70%，衰減幅度比較明顯，可見橡膠支座損傷對橋梁結構內部動力效應影響較大，支座性能衰減對整個橋梁結構的運營安全會造成很大的影響。

4 結 語

板式橡膠支座劣化程度的加重，對橋梁鋪裝層內縱向剪應力、最大豎向位移與T梁的最大應力均產生較大影響。當支座損傷程度較小，橋梁結構的受力和整體剛度受到一定程度的影響，應及時采取維護保養措施來使支座處于良好工作狀態。當支座損傷程度達到20%～40%時，橋梁結構剛度折減較為明顯，應立即采取措施控制其損傷不再繼續發展，并做好后期觀測記錄，確保損傷不再發展，一旦損傷繼續發展應采取更為高效的措施。當支座損傷程度繼續加重，達到40%～60%時，T梁內拉應力明顯增大，對結構受力、變形有很大影響，僅維修保養已經不能解決支座損傷過大的問題，應該注意加大該方面的防范措施，必要時宜更換支座。當支座損傷程度高于60%時，梁內拉應力值已經變得很大，如損傷繼續加重，可能會造成梁體開裂。因此，實際工程中，一旦發現支座損傷達到60%甚至更為嚴重，應立即更換支座，保障橋梁結構安全。