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同泰橡胶对于铅芯橡胶支座与板式橡胶支座抗震对比

衡水同泰工程橡胶有限公司对于铅芯橡胶支座与板式橡胶支座抗震对比,我们将以一座4×40m简支T形梁桥为例,对常规非隔震设计的板式橡胶支座和减隔震设计的铅芯橡胶支座(LRB)进行对比分析,比较了2种支座设计下桥梁结构的动力特性以及采用隔震设计后桥梁结构内力、位移响应与非隔震设计的差别。在其他条件一致前提下,研究了铅芯橡胶支座的力学参数对减隔震效果的影响。研究结果表明:铅芯橡胶支座较板式橡胶支座设计的桥梁可以延长结构的周期; 设计的铅芯橡胶支座具有明显的减震效果,铅芯橡胶支座可以大幅度减小各墩墩底剪力及墩底弯矩,各墩所受地震力重新合理分配且受力趋于平衡;

同时在减隔震设计中,只考虑增大铅芯橡胶支座的型号反而会给桥梁下部结构带来不利的影响。 关键词:桥梁工程;简支梁桥;铅芯橡胶支座;减隔震设计;减震率;动力特性铅芯橡胶支座(LRB)作为一种减隔震支座得到了广泛的研究[1-4]。 通过计算统计分析,确定了在Ⅰ,Ⅱ类场地土地基条件下可供新建或旧桥改造采用减震设计时选择铅销橡胶支座使用的标准规格。魏红一等[6]研究表明,采用铅芯橡胶隔震技术后,在近场地震作用下,减震效果仍有效。郭磊等[7]研究表明,在固定墩上采用活动盆式支座与弹塑性减震耗能装置并联,能够有效地减小固定墩所受的地震力,改善结构的抗震性能。张骏等[8]

分析表明,铅芯橡胶支座可以有效地降低结构的位移和内力响应,改善结构的抗震性能。钟铁毅等[9]研究表明,是否考虑双向恢复力的耦合作用对铅芯橡胶支座的位移-恢复力曲线存在较大差别。为了研究板式橡胶支座和铅芯橡胶支座这2种支座设计对简支梁桥抗震性能的影响,本文中笔者以一座4×40m简支T形梁桥为例,对常规非隔震设计的板式橡胶支座和减隔震设计的铅芯橡胶支座进行对比分析,比较了2种支座设计下桥梁结构的动力特性以及采用隔震设计后桥梁结构内力、位移响应与非隔震设计的差别;同时在其他条件一致前提下,研究了铅芯橡胶支座的力学参数对减隔震效果的影响。1基本计算理论1.1减隔震原理减隔震的基本原理为[10]:利用减隔震装置的柔性来延长周期,减小结构地震反应;②利用阻尼器或耗能装置,来控制由于周期延长而导致的过大的墩、梁相对位移;③必须能够支撑整个结构,保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度。图1为加速度反应谱,图2为位移反应谱。

图1加速度反应谱Fig.1Acceleration Response Spectrum1.2地震时程分析一致地震输入下,多质点体系的地震振动方程图2位移反应谱Fig.2Displacement Response Spectrum式为M¨δ+Cδ+Kδ=-MI¨δg(t)(1)式中:M,C,K分别为结构的质点体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;¨δ,δ,δ分别为质点对地面的加速度矢量、速度矢量和位移矢量,均为时间t的函数;I为惯性力影响矩阵;¨δg(t)为地震动加速度时程列向量[11]。

可见,桥梁结构的地震反应与地面运动的加速度、结构的质量及其分布、阻尼和刚度有关。一般情况下不易改变桥梁结构的质量及分布,但是利用结构自身的延性或在桥梁中设置减震装置改变桥梁结构的阻尼、刚度,则会改变桥梁结构自身的动力特性、振动形态或使桥梁上下部结构之间、桥梁与地基之间产生动力互相干涉,减小地震作用,从而达到桥梁结构减震的目的[12-13]。2工程算例分析2.1工程概况本文中以一座一联4×40m简支转连续T形梁桥为例,高速公路引桥设计中较多采用这一类型桥梁。该桥上部为每幅6片T形梁,下部结构为框架墩、群桩基础,墩高为6.9~10.3m,桥型布置如图3所示,其中,P表示支座墩,数字代表墩号

有限元分析模型采用有限元分析软件MIADS/Civil建立全桥空间有限元模型,主梁、桥墩和桩基础均采用三维梁单元,横隔板荷载和二期恒载作为梁单元附加质量;主梁与桥墩分别采用板式橡胶支座(常规设计方案)和铅芯橡胶支座(隔震设计方案)建立连接;采用表征土介质弹性值的m参数计算的等代土弹簧刚度模拟桩-土作用,桩底固接;以非线性弹簧单元模拟铅芯橡胶支座的非线性力学行为。有限元计算简化模型如图4所示,桥梁地震动力分析有限元模型如图5所示。521第3期         3 2种支座模型设计为进行对比研究,分析计算工况包括板式橡胶支座非隔震桥梁地震动力时程分析和铅芯橡胶减隔震桥梁地震动力时程分析。

种模型支座设计采用如下形式。2.3.1模型1:板式橡胶支座对于板式橡胶支座,大量试验结果表明,其滞回曲线呈狭长形,可以近似做线性处理[14]。板式橡胶支座主要是靠增加结构柔性、延长结构周期来达到减震的效果,但是其减小桥墩地震荷载的同时,也增加了梁体与墩台之间的相对位移。因此,地震反应中,恢复力模型可化为线性方程,即F=Kx(2)式中:F为恢复力;x为上部结构与墩顶的相对位移;K为支座的等效剪切刚度,K=GAt0,G为支座的动剪切模量,按现行《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01—2008)中的建议取1.2MPa,A为支座的剪切面积,t0为橡胶片的总厚度。该桥P1~P5墩板式橡胶支座选取GJZ 650×550×150,支座2个平动方向上的等效剪切刚度为K=GAt0=4  085.7kN·m-1(3)选取u1=1×108  kN·m-1,u2=u3=4  000kN·m-1,u1,u2,u3分别为竖向平动自由度、顺桥向平动自由度和横桥向平动自由度。

铅芯橡胶减隔震支座铅芯橡胶支座采用Park等在1986年提出的双向恢复力-位移滞回理论模型(图6)。图6中,Kb为铅芯橡胶支座的水平刚度。利用2个正交的水平非线性弹簧来模拟铅芯橡胶支座的双向工作性状,并采用屈服前刚度K1、屈服后刚度K2和屈服强度Q作为铅芯橡胶支座的力学控制参数,将非线性模型简化为双线性模型(图7)进行分析计算。实际计算时,假定铅芯橡胶支座的滞回性能符合双线性模型,且支座在2个正交方向的恢复力模型相同。图7中,KB为铅芯橡胶支座的水平等效刚度,uy,Qy均为铅芯橡胶支座的屈服点,uB为铅芯橡胶支座的极限点,u为铅芯橡胶支座的有效设计变位。铅芯有良好的力学特性、较小的屈服剪力(约为10MPa)、足够大的初始剪切刚度(约为130MPa)