基于能量耗散理論的輥軸摩擦支座應(yīng)用研究

基于能量耗散理論的輥軸摩擦支座應(yīng)用研究

地震期間，許多橋梁的支撐體受到不同程度的破壞，上部結(jié)構(gòu)發(fā)生了傾斜和傾斜。當(dāng)連接支座不能承受上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的縱橫向位移差時,將導(dǎo)致錨固螺栓拔出或剪斷,支座附近混凝土發(fā)生裂縫,以及活動支座脫落等現(xiàn)象。例如,汶川地震發(fā)生后國道213線及都汶高速公路上橋梁支座均出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的損壞,在K17+487.00廟子坪岷江大橋,主梁邊孔支座破壞滑脫,邊孔下?lián)?引橋梁體縱橫移位,支座大多移位、滑脫;在徹底關(guān)大橋第2跨汶川岸支座全部震落,其他支座均有不同程度的剪切變形,甚至破壞;在K1020+592.03壽江大橋1號墩上,第一跨的T梁從支座上落下,右邊梁已懸空,2片中梁支承在蓋梁上的長度不足10cm,導(dǎo)致第1跨30mT梁橫移,同時該跨T梁向映秀方向縱向滑移,并扭轉(zhuǎn)下沉,面臨整孔落梁危險;在K1012+020小黃溝中橋,1號、3號墩盆式支座均設(shè)有銷釘,銷釘彎曲但未斷裂,以致主梁整體向彎道外側(cè)移動;K1009+695百花大橋,18號橋墩處牛腿下盤開裂,支座墊石全部破壞,橋墩右支座懸空。近年來支座減震控制技術(shù)一直是橋梁抗震研究中一個活躍的分支,包括結(jié)構(gòu)主動和被動控制,以及兩者組合控制,實際上反映了能量概念的應(yīng)用,是設(shè)法減小地震輸人能量,或通過能量轉(zhuǎn)移和補充,增大結(jié)構(gòu)耗能有效供給能力,來抵御強震作用。例如,研究開發(fā)中的支座基底隔震技術(shù),人們通過提高上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)間的耗能能力,在支座上設(shè)置橡膠來承受橋梁縱向和水平震動反應(yīng),或借助阻尼器的摩阻耗能來實現(xiàn)減震目的。但這些措施往往存在很大缺陷,雖然這些措施會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的柔度提高,動力放大系數(shù)減小,但結(jié)構(gòu)整體強度也會跟著下降,橡膠支座的抗拉能力不高,橡膠和鋼板的粘合面在地震作用下會出現(xiàn)脫離現(xiàn)象。一般橋墩上設(shè)置橡膠支座,能夠分擔(dān)一些地震作用,不至于全部讓固定墩來承擔(dān),但是豎向地震動輸入減弱了橡膠支座抗滑移能力,又由于缺乏墩、梁之間限制相對位移的裝置,使得一部分墩柱與梁體之間發(fā)生較大的相對滑移,雖釋放了這些墩柱的受力,卻加劇了其他橋墩的受力。同時橡膠支座及阻尼器的設(shè)置使得橋梁的設(shè)計復(fù)雜,耗資巨大。1輥軸與明架基礎(chǔ)的不銹鋼板和鋼襯板之間的組合關(guān)系橋梁支座歷來被認(rèn)為是橋梁結(jié)構(gòu)體系中抗震性能比較薄弱的一個環(huán)節(jié),在歷次破壞性地震中,支座的震害現(xiàn)象比較普遍,其主要原因是支座設(shè)計沒有充分考慮抗震的要求,連接與支擋等構(gòu)造措施不足,以及某些支座形式和材料本身的缺陷。支座的破壞形式主要表現(xiàn)為:支座移位、錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落、支座本身構(gòu)造上的破壞。經(jīng)歷汶川地震后,為了分散和減輕地震荷載對支座的作用力,本人提出了輥軸摩擦支座,如圖1所示,其作用機理是在上支座板與下支座板之間設(shè)置不銹鋼襯板,在鋼襯板外壁上填充聚四氟乙烯夾層。地震發(fā)生時左右輥軸將會發(fā)生轉(zhuǎn)動,以致上下支座板產(chǎn)生平動,上下支座將會與鋼襯板之間產(chǎn)生摩擦,依靠這種摩擦阻力的作用可以發(fā)生能量耗散,而由于輥軸只在一定的范圍內(nèi)運動,震后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位也是比較容易的。根據(jù)對其運動特征的分析,可將兩個或多個這種摩擦副一起使用,支座在運動時不發(fā)生轉(zhuǎn)動,只有水平方向平動,保證了上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時在鋼襯板與支座之間填充聚四氟乙烯夾層,這樣鋼襯板與支座之間留有一定的緩沖材料,保證地震發(fā)生時鋼襯板與支座之間的摩擦能力。由聚四氟乙烯夾層與不銹鋼板組成的這種摩擦副,可將一般支座中的水平移動滾動摩擦副用聚四氟乙烯夾層與不銹鋼板組成的平面摩擦副代替,既滿足了水平位移的要求,也避免了輥軸部位的病害。同時由于聚四氟乙烯夾層對不銹鋼板的摩擦系數(shù)與輥軸的滾動摩擦系數(shù)相當(dāng),因此,滑移阻力也不會增大,在有潤滑脂潤滑的情況下,聚四氟乙烯夾層與不銹鋼板的摩擦系數(shù)會更低,更利于水平位移的實現(xiàn)。如圖2所示,此處采用的是輥軸摩擦支座的防震體系,體系由上支座板、下支座板、輥軸、聚四氟乙烯夾層、不銹鋼襯板等組成,在中等以下的地震作用下,上下支座與鋼襯板之間將產(chǎn)生相對運動,此時支座與不銹鋼板之間將產(chǎn)生摩擦阻力消耗能量,聚四氟乙烯起摩阻作用,阻止支座與鋼襯板之間的相互滑動,整個體系將處于安全狀態(tài);當(dāng)?shù)卣饛姸冗_(dá)到一定程度時,摩擦滑移層受到的地震作用力大于摩擦阻力,上下支座將隨著輥軸的轉(zhuǎn)動而與鋼襯板滑移,通過滑移摩擦消耗能量阻止地震能量上傳,從而起到隔震作用,達(dá)到地震強度增大而上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力不增加的目的。同時由于這種結(jié)構(gòu)只會使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生平動,所以在巨大的隨機地震力作用下,只要上、下結(jié)構(gòu)本身不破壞,由于這種支座的存在就不會發(fā)生落梁。一般情況下,支座是個薄弱環(huán)節(jié),在強大的地震力作用下支座破壞就會極易發(fā)生落梁或落架,而這種輥軸摩擦支座的強度和延性均高于結(jié)構(gòu)本身,所以一般情況下這種支座只會使上下支座板的位置發(fā)生相對移動,而不會發(fā)生橋梁結(jié)構(gòu)本身的破壞,而且支座輥軸只在一定的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動,震后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位也是比較容易的。2數(shù)值模型的建立為了研究輥軸摩擦支座對結(jié)構(gòu)抗震性能的有效性,采用有限元軟件ANSYS中已有的單元進(jìn)行組合,采用雙線形非線性彈簧模擬滾軸摩擦支座模型,并以某四角支座的混凝土板為例,建立模型進(jìn)行地震時程分析。為了便于研究其隔震效果,分析時建立兩個模型,分別為普通橡膠支座模型1,輥軸摩擦支座模型2。在進(jìn)行輥軸摩擦支座模型2分析時,輥軸摩擦支座的處理采用Park等提出的雙向恢復(fù)力—位移滯回理論模型。計算中,假定輥軸摩擦支座的滯回性能符合雙線性模型,且支座在水平面內(nèi)2個正交方向的恢復(fù)力模型相同。因此用2個正交的水平非線性彈簧模擬輥軸摩擦支座的雙向非線性特性,并采用屈服前剛度K1、屈服后剛度K2和屈服強度Q作為輥軸摩擦支座的力學(xué)控制參數(shù),輥軸摩擦支座的雙線性恢復(fù)力模型如圖3所示,假定隔震裝置只有水平變形,即結(jié)構(gòu)只做平動,忽略其豎向變形引起的擺動。隔震支座的力學(xué)模型可以簡化為水平方向的非線性彈簧和黏滯阻尼器兩部分組成。圖4所示為ANSYS中的復(fù)合彈簧阻尼單元,K1、K2分別為兩彈簧的剛度,C為單元阻尼,FSLIDE為屈服力,M為單元質(zhì)量,GAP為單元間隙,I、J為單元節(jié)點號。隔震支座數(shù)值模型由X向復(fù)合元(包括1個非線性彈簧和1個線性阻尼器)、Z向復(fù)合元(包括1個非線性彈簧和1個線性阻尼器)、支座兩端的轉(zhuǎn)動約束組成,其中復(fù)合元是同時具有剛度、阻尼、滑板和間隙的復(fù)合單元,通過參數(shù)選擇,可模擬雙線性恢復(fù)力特征。用ANSYS有限元軟件分析模型結(jié)構(gòu)沿支座平動方向的動力特性,如圖5所示,某矩形截面鋼筋混凝土板,長1.0m,寬1.0m,高10cm,其混凝土彈性模量E=24GPa,泊松比v=0.2,單軸抗拉強度ft=3.1125MPa,裂縫閉合傳遞系數(shù)為1;鋼筋為雙線性隨動硬化材料,彈性模量為E=200GPa,泊松比v=0.25,屈服應(yīng)力σ0.2=360MPa,硬化斜率為20000,配筋率為0.01,沿長度方向和寬度方向放置鋼筋。在支座處設(shè)置剛性墊片,通過在墊片底面設(shè)置不同的邊界條件分析模型1與模型2的隔震效果。本算例以混凝土板的x向為例分別對普通橡膠支座與滾軸摩擦支座進(jìn)行地震動力時程分析,由于支座滑動前剛度影響結(jié)構(gòu)的抗震性能,因此要考慮支座的活動前剛度,參考相關(guān)資料,取普通橡膠支座的初始剛度為20000kN/m,輥軸摩擦支座的初始剛度為50000kN/m。普通橡膠支座的摩擦系數(shù)取0.10,輥軸摩擦支座發(fā)生滑動時的摩擦系數(shù)取0.20。地震波采用“中國天津(1976)地震記錄”,天津波的記錄時長為5s,時間間隔為0.0ls,場地為Ⅲ類。根據(jù)以上建立的計算模型,對普通橡膠支座及輥軸摩擦支座進(jìn)行地震波作用下的反應(yīng)分析,得到混凝土板中心位置的加速度時程曲線與位移時程曲線,如圖6、圖7所示。從以上可看出,在地震作用下,輥軸摩擦支座與普通橡膠支座相比,更易于減小結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的加速度響應(yīng)與位移響應(yīng),即隔震效果也更佳。在地震初期,此時支座與不銹鋼板之間將產(chǎn)生摩擦阻力消耗能量,整個體系產(chǎn)生的加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)都很小,幾乎趨于零,結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài);當(dāng)?shù)卣饛姸冗_(dá)到一定程度時,摩擦滑移層受到的地震作用力大于摩擦阻力,支座將隨著輥軸的轉(zhuǎn)動而與鋼襯板滑移,通過滑移摩擦消耗能量阻止地震能量上傳,此時地震響應(yīng)明顯減小,說明輥軸摩擦支座能延長橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期,避開地震能量的集中區(qū),降低結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移,使結(jié)構(gòu)內(nèi)力得以合理分配。3輥軸支柱的作用(1)輥軸摩擦支座的強度和延性均高于結(jié)構(gòu)本身,在地震作用下支座只會使上下支座板的位置發(fā)生相對移動,而不會發(fā)生橋梁結(jié)構(gòu)本身的破壞。(2)輥軸摩擦支座的輥軸只在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動