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[原创] 文莱淡布隆跨海大桥高阻尼橡胶支座项目应用 [复制链接]

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yaqin 发表于 2017-12-18 15:54:53 |显示全部楼层 |          |
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文莱淡布隆跨海大桥由文莱国王亲自宣布建设,全线长约30公里,跨越文莱湾,是连接文莱穆阿拉区和淡布隆区的海上大通道。大桥建成后,将成为文莱的地标式建筑(如图1)。该桥梁由英国奥雅纳全球公司(ARUP)设计和监造,由第三方独立审查机构英国土木工程师协会(ICE)审查,并由韩国DAELIM公司承包制造。大桥设计时,根据道路宽度及交汇路口的变化情况设置了多种桥梁类型,并在箱梁与墩柱连接处设置了高阻尼橡胶支座,利用其高阻尼橡胶的滞后损耗特性实现减震及隔震目的,从而使得该大桥能够抵抗住高达0.1m/s2地震波峰值加速度。

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图1 文莱淡布隆跨海大桥建成效果图

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桥梁支座作为梁体与墩台的重要连接构件,其性能的好坏对桥梁的整体抗震性能起到关键性影响。对于文莱淡布隆跨海大桥高阻尼橡胶支座(HDRB),需要其具备竖向承载力高、竖向变形小,地震作用下能够满足水平位移大、水平刚度低,且能够明显增加结构振动周期等特点。在其设计、制造、试验等过程中,同时需要能够完全满足欧洲标准EN15129的要求。

设计优化结构

为了使文莱淡布隆跨海大桥高阻尼橡胶支座(HDRB)的设计都满足欧洲标准EN15129《隔震装置》的要求,以及使桥梁减隔震效果及实际使用状况达到最佳,高阻尼橡胶支座综合考虑了竖向承载力、水平位移、转角、支座最大安装尺寸、地震载荷、地震位移、水平刚度、支座阻尼比、墩台及梁底垫石承压能力等参数。具体包括:

1.支座设计分别考虑了静态(即通常使用状态)和动态(即地震发生时的状态)使用工况;

2.支座竖向承载力考虑了恒载作用和活载作用,静态设计校核了1.35×恒载+1.5×活载下的支座性能,以及动态设计校核了恒载+0.3×活载下的支座性能;

3.水平位移分地震位移和桥梁位移(包括风载、温度变化等引起的可逆位移和混凝土收缩、徐变等引起的非可逆位移),其中动态设计校核了1.5×地震位移+桥梁位移共同作用下的支座性能,为进一步确保使用安全,将测试支座在1.15×(1.5×地震位移+桥梁位移)情况下的完好性;

4.在由于转动引起的剪应变设计时,按照欧洲标准EN15129《隔震装置》要求,最小转角值不低于0.003rad;

5.在支座设计时,支座的安装尺寸未超过梁体及墩台安全承载尺寸。

按照上述要求及参考通用结构设计的高阻尼橡胶支座,结构型式及尺寸如图2。

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图2 支座设计结构尺寸


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其中,橡胶剪切模量为1.2MPa,橡胶体积约36.6dm3,钢件重量约387KG。

由于该项目支座生产批量大,在满足欧标EN15129标准的前提下,对支座进行了一系列结构优化,从而提高了高阻尼橡胶支座的性价比。

减小支座体积

传统高阻尼橡胶支座设计后,需采用“直筒式”模具生产。虽然模具可用于后续项目,通用性好,但采用“直筒式”结构生产时,支座下部需设置硫化钢板,导致支座重量较大,对应的制造成本上升。当支座数量较多时,可将“直筒式”结构改为“凸台式”结构,即支座下部采用连接钢板(下硫化钢板)与橡胶直接黏合;同时当支座水平刚度较大时,支座设计采用高硬度橡胶,可大大减小支座体积,提高了支座的性价比。

提高垫石或混凝土承压安全性

由于高阻尼橡胶支座设计时,其最大竖向承载力已经确定,而垫石和混凝土的承压能力与最大竖向承载力和承压面积有关。当减小支座体积后,承压面积减少,导致混凝土和垫石上的压强增大;超出极限承压力后,混凝土或垫石会被破坏。

由于混凝土承压能力最弱,因此在校核高阻尼橡胶支座的承压能力时,承压不合格的情况往往发生在混凝土上,而压力传递存在扩散角现象,即混凝土承压面积A2>垫石承压面积A1>支座承压面积A0(如图3)。因此,可通过增加预埋板、下硫化钢板和垫石厚度等结构优化措施,提高混凝土承压面积,进而保证混凝土承压面积在允许值范围内,确保设计的各项性能指标都能满足欧标EN15129及业主的要求。


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图3 承压的扩散角现象


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避免橡胶与钢板的撕裂

通常用于桥梁的高阻尼橡胶支座水平刚度均较大。当支座发生水平大位移剪切运动时,橡胶与下硫化钢板间的水平撕扯力大,易发生撕扯破坏。必须从设计和制造工艺上共同采取措施避免该问题的发生。

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图4 支座边角线结构优化


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在保证橡胶与钢件的黏合强度达到标准要求的情况下,通过试制和试验得出发生撕裂的原因为:当支座发生剪切运动时,橡胶与钢板边角线接触处撕扯应力较集中,超过黏合强度极限后发生破坏。因此设计优化的方案,是通过增大边角线接触处的受力面积,达到结构优化的目的,减小局部受力集中,避免撕裂(如图4)。

通过上述结构优化,并重新进行校核,支座设计合格后,确定支座结构尺寸,如图5所示。

其中,橡胶剪切模量1.4MPa,橡胶体积约31.5dm3,钢件重量约311KG。与优化前相比,橡胶体积减小14%,钢件重量减少20%。


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图5 支座优化后的结构尺寸

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制造全程把控

胶料调配和支座硫化

按照欧洲标准设计的高阻尼橡胶支座,其生产制造难点在于胶料调配和支座硫化两方面。

本项目的高阻尼橡胶支座设计需采用 G1.4高硬度橡胶,由外方研发团队,按照符合欧洲标准EN15129的胶料进行配方。在配方国产化过程中,积极寻找合适的替代原料,同时对替代材料的配方工艺进行试制和检测验证。通过不断的试制-检测-调整,最终确保胶料型式检验满足欧洲标准EN15129的要求。

支座硫化对高阻尼橡胶支座的性能起着决定性影响。经过反复探讨研究,本项目采取了分段硫化的先进工艺。首先通过低温加热并保温一段时间,让内外层橡胶均被加热升温;再加热至理论硫化温度,让外层橡胶充分硫化、内层橡胶基本硫化;最后再降低温度并保温一段时间,让内层橡胶完全硫化并防止外层橡胶过硫化。通过采用分段硫化工艺,精确控制各段硫化的温度和时间,保证了支座硫化质量,保证了支座的性能满足欧标要求。

防腐涂装体系

由于该桥穿过原始沼泽及海洋,因此对大桥及其配件的腐蚀防护要求极高。为保障高阻尼橡胶支座的防腐性能满足使用要求,根据ISO12944中大气腐蚀环境的分类,选用防腐等级最高的C5-M海洋重防腐涂装体系进行防护,并对油漆样品的涂装性能(包括涂层厚度检验、附着力试验、盐雾试验)按照欧标进行了测试,验证了重防腐涂装体系的有效性。此外,还结合产品的特点,对于棱边、锐角等易出现应力集中的问题,以及造成油漆脱落的部位,进行了重点探讨研究。采取了增加圆角、保证抛丸前钢件表面硬度等措施,使产品的防腐涂装质量得到极大改善,防腐涂层的干膜厚度、附着力、外观等指标均满足欧标要求。


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试验综合性能

75000KN多功能试验机

欧标试验要求严格,需验证不同地震波下的支座性能。如频率相关性需在2Hz的高频下进行水平剪切试验,试验在100%剪应变下的支座水平速度达0.98m/s,而且需加载三个循环。因此对试验机水平速度及蓄能能量有着苛刻的要求。目前只有通过75000KN多功能试验机进行试验,试验机主要性能参数如下:竖向动载75000kN;竖向位移120mm;水平动载6000kN,水平位移1200mm;水平最大速度1m/s;试验台尺寸2500×2500×650mm。

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图6 75000KN多功能试验机

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图7 试验机软件控制界面


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图8 试验样品

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该试验机配合合适的工装,可进行全部欧标试验,试验设备如图6、图7所示,试验样品如图8所示。

试验结果满足欧洲标准

表1 型式试验结果

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表2 水平特性试验参数表

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图9 竖向压力与时间的关系(竖向压力最大为8601KN)


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图10 水平位移与时间关系图


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图11 压缩刚度测试(竖向压力最大为8601KN)

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图12 水平速度与时间关系图


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图13 水平力与位移关系图

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图14 水平力与时间关系图

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图15 水平惯性力与位移关系图

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经过ARUP、ICE、业主三方代表对试验的考察,三方代表一致认可并通过了高阻尼橡胶支座的型式检验,试验结果满足欧标EN15129及设计的要求(其中最高频率下的水平特性试验由于设备惯性力大,测得的阻尼比暂不考虑),具体如表1所示。

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图16 试验样品


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图17 待安装的高阻尼橡胶支座


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图18 支座安装过程


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目前,文莱淡布隆跨海大桥正在陆续架梁,高阻尼橡胶支座的安装也在有条不紊地进行中(见图17、18)。此次为文莱Temburong跨海大桥生产的高阻尼橡胶支座,各项性能能够满足欧洲标准EN15129的要求,最终产品的成功交付使用标志着我国高阻尼橡胶支座的设计、制造、试验能力已达国际先进水平,为我国“一带一路”基础建设做出了良好开端。

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