板式橡胶支座损伤对桥梁结构影响分析

阿布力孜·艾海提

(新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况及计算模型

借助有限元方法对阿克苏西大桥电站桥进行模拟，该桥位于新疆阿克苏地区国道219线K0+445.10处，桥梁跨径为2～20 m，总长45.04 m，上部和下部结构分别为钢筋混凝土T型预制梁与现浇混凝土U型桥台，桥墩采用现浇钢筋混凝土双柱式。该桥上部结构T梁分别在跨中、四分点及梁端位置设置横隔板，横隔板采用底部预埋钢板及焊接钢板进行横向联系。桥墩和桥台盖梁顶面横坡为1.5%，与桥面横坡一致。桥台与梁端及桥墩处均设置型钢伸缩缝，桥梁均采用矩形板式橡胶支座GJZ200×250×49 mm，预制T梁和盖梁、墩柱、桥面铺装均用C25混凝土进行浇筑。模型中橡胶支座的刚度约束各项值为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 对桥梁结构静力效应的影响

2.1 损伤模型的建立

为分析板式橡胶支座损伤程度与结构静力效应间对应关系，模型中对支座的剪切模量及各项约束刚度进行相应的折减。分别取支座完好无损情况(工况1)、支座刚度约束值的0.8倍，即损伤程度为20%(工况2)、0.6倍，损伤程度为40%(工况3)、0.4倍，损伤程度为60%(工况4)的四种工况，分别模拟计算桥梁结构在中载与偏载作用下的静力效应。

2.2 工况2与工况1结果对比分析

将工况2下在中载、偏载作用下产生的结构各项静力效应值与支座完好无损情况下(工况1)的计算结果进行对比分析，计算结果如表1所示。

表1 工况1与工况2下中载及偏载作用产生的结构静力效应

从工况1与工况2下产生的结构静力效应可知，板式橡胶支座损伤并不能引起支座竖向反力的大幅变化。随着支座损伤程度的加重，支座的竖向反力虽有小幅减小，但在中载及偏载作用下支座竖向反力分别仅仅减小了1.82%、0.79%，支座竖向反力对支座损伤程度并不敏感。铺装层纵向剪应力、横向剪应力及纵向正应力随着支座损伤程度的加重，在中载及偏载作用下产生的应力值均呈增大的趋势，在中载作用下铺装层最大纵向剪应力、横向剪应力及纵向正应力由原来0.42 MPa、0.21 MPa、0.10 MPa分别增大了11.9%、9.5%、20%；在偏载作用下，铺装层最大纵向剪应力、横向剪应力及纵向正应力由原来的0.47 MPa、0.23 MPa、0.12 MPa分别增大了4.26%、4.3%、16.7%，表明支座损伤程度的加重引起桥梁结构铺装层纵向剪应力、纵向正应力的大幅变化。竖向最大位移、T梁最大应力值则在中载作用下，随着支座损伤加重，竖向最大位移分别由1.32 cm增大到1.53 cm，增幅15.9%，T梁最大应力值由4.45 MPa增大到4.61 MPa，增大3.6%；在偏载作用下，随着支座损伤程度的加重，支座竖向最大位移、T梁最大应力值分别由1.65 cm增大到1.87 cm，7.31 MPa增大到7.49 MPa，分别增长了13.3%与2.5%，这说明支座的损伤会使T梁结构内部发生应力重分布，引起竖向最大位移和内部最大应力的增长。

2.3 四种工况结果对比分析

将支座刚度折减系数为0.6(工况3)和0.4(工况4)在中载及偏载作用下产生的结构静力效应值分别进行统计，与工况1与工况2结构静力效应比较分析板式橡胶支座在不同工况下结构响应变化的整体趋势。

(1)支座反力

支座在四种不同工况下，中载及偏载作用下的支座反力值计算结果如图1所示。

图1 不同工况对支座最大反力的影响

由图1中支座反力计算结果可知，随着橡胶支座损伤程度的加重，支座的最大反力值逐渐减小，但减小幅度较小；当板式橡胶支座刚度折减系数为0.6(损伤程度达到40%)时，与未发生任何损伤，正常工作状况下的支座反力相比，中载与偏载作用下支座最大反力值减小幅度分别为0.96%、2.18%，表明支座损伤劣化程度对支座最大反力的影响不明显。

(2)铺装层的纵向剪应力值

不同工况在中载与偏载作用下铺装层的纵向剪应力值如图2所示。

由图2中铺装层纵向剪应力计算结果可知，随着橡胶支座损伤程度的加重，铺装层内纵向剪应力呈增大的趋势，且增速逐步减缓；支座自完好无损，正常工作状态到损伤程度达到40%，在中载作用下桥面铺装层最大剪应力分别从0.46 MPa增大到1.72 MPa；在偏载作用下从0.65 MPa增大到1.87 MPa，增大了2.74倍与1.88倍，这表明支座损伤程度的加重对桥面铺装层纵向剪应力大小产生较大影响。

图2 不同工况对铺装层纵向剪应力的影响

(3)铺装层的横向剪应力值

不同工况在中载与偏载作用下铺装层的横向剪应力计算结果如图3所示。

图3 不同工况对铺装层横向剪应力的影响

由图3中计算结果可知，随橡胶支座损伤程度的加重，铺装层内横向剪应力也逐渐增大。板式橡胶支座自完好无损，正常工作状态到损伤程度达到40%，在中载作用下的铺装层横向最大剪应力由0.072 MPa增大到0.079 MPa，在偏载作用下由0.074 MPa增大到0.079 MPa，增幅分别为9.7%、6.7%。相比铺装层纵向剪应力的变化情况，横向剪应力受支座损伤程度的影响较小，应力值变化并不显著。

(4)梁体竖向位移值

不同工况在中载与偏载作用下梁体发生竖向位移计算如图4所示。

图4 不同工况对梁体竖向位移的影响

由不同工况下梁体发生的竖向位移计算结果可知，随板式橡胶支座损伤程度的加重，梁体的最大竖向位移也逐渐增大。在中载作用下，板式橡胶支座完好无损的工作状态下梁体发生的竖向最大位移由1.24 cm到损伤程度达到40%时的2.53 cm，增大了1.04倍，表明支座损伤程度的加重引起梁体竖向位移的较大变化。

(5)T梁应力值

不同工况在中载与偏载作用下T梁应力值如图5所示。

从图5中的应力变化趋势图可知，随着橡胶支座损伤程度的加重，T梁最大应力逐渐增大。在中载作用下，板式橡胶支座无任何损伤的工作状态下T梁最大应力由4.45 MPa到损伤程度为40%时的4.89 MPa，增大9.9%，T梁最小应则由-0.05 MPa增大到-0.34 MPa，增大了5.8倍。计算结果及变化趋势表明，T梁内的拉应力分布状况对支座受损伤程度的变化较为敏感。

图5 不同工况对T梁应力的影响

3 对桥梁结构动力效应的影响

支座损伤不仅影响桥梁结构的静力效应值，还会引起结构内动力效应的重分布。为研究支座损伤与结构动力效应关系，对T梁桥支座损伤程度及刚度进行相应的折减。分别取支座完好无损情况(工况1)、损伤折减系数0.8，损伤20%(工况2)、损伤折减系数0.6，损伤40%(工况3)、损伤折减系数0.4，损伤60%(工况4)的四种工况，对比桥梁结构自振特性的变化情况，分析桥梁动力效应对板式橡胶支座损伤情况的敏感程度。

3.1 支座无损伤时各阶自振频率

板式橡胶支座在完好无损的正常工作状况下(工况1)，桥梁结构各阶阵型自振频率计算结果如表2。

表2 工况1下各阶振型自振频率

3.2 折减系数为0.8时各阶自振频率

板式橡胶支座损伤折减系数为0.8时(工况2)的桥梁结构各阶阵型自振频率计算结果如表3。

表3 工况2下各阶振型自振频率

3.3 折减系数为0.6时各阶自振频率

板式橡胶支座损伤折减系数为0.6(工况3)时的桥梁结构各阶阵型自振频率计算结果如表4。

表4 工况3下各阶振型自振频率

3.4 折减系数为0.4时各阶自振频率

板式橡胶支座损伤折减系数为0.4(工况4)时的桥梁结构各阶阵型自振频率计算结果如表5。

表5 工况4下各阶振型自振频率

对以上四种工况下的桥梁结构各阶阵型自振频率进行对比分析，对比结果如图6所示。

图6 不同工况对结构自振频率的影响

由上述不同工况下的自振频率计算结果与结构自振频率变化趋势图可知，随着支座损伤程度的加重，结构自振频率逐渐减小；结构一阶自振频率由支座完好无损时的2.35 Hz减小到折减系数为0.4时的0.84 Hz，相比完好无任何损伤时的正常工作状态减小21.70%，衰减幅度比较明显，可见橡胶支座损伤对桥梁结构内部动力效应影响较大，支座性能衰减对整个桥梁结构的运营安全会造成很大的影响。

4 结 语

板式橡胶支座劣化程度的加重，对桥梁铺装层内纵向剪应力、最大竖向位移与T梁的最大应力均产生较大影响。当支座损伤程度较小，桥梁结构的受力和整体刚度受到一定程度的影响，应及时采取维护保养措施来使支座处于良好工作状态。当支座损伤程度达到20%～40%时，桥梁结构刚度折减较为明显，应立即采取措施控制其损伤不再继续发展，并做好后期观测记录，确保损伤不再发展，一旦损伤继续发展应采取更为高效的措施。当支座损伤程度继续加重，达到40%～60%时，T梁内拉应力明显增大，对结构受力、变形有很大影响，仅维修保养已经不能解决支座损伤过大的问题，应该注意加大该方面的防范措施，必要时宜更换支座。当支座损伤程度高于60%时，梁内拉应力值已经变得很大，如损伤继续加重，可能会造成梁体开裂。因此，实际工程中，一旦发现支座损伤达到60%甚至更为严重，应立即更换支座，保障桥梁结构安全。