支座參數(shù)對(duì)隔震橋梁地震響應(yīng)的影響分析

羅列 王建勛

（慈溪市公路管理段 中國(guó)慈溪 315300）

支座參數(shù)對(duì)隔震橋梁地震響應(yīng)的影響分析

羅列 王建勛

（慈溪市公路管理段 中國(guó)慈溪 315300）

本文旨在研究鉛芯橡膠支座（LRB）隔震橋梁在改變支座參數(shù)時(shí)，雙向水平地震波作用下的地震響應(yīng)。本文以一座典型三跨連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立包含鉛芯橡膠支座在內(nèi)的隔震橋梁全橋數(shù)學(xué)分析模型。采用Bouc-wen模型模擬LRB的非線性動(dòng)力特性，使用有限單元法建立系統(tǒng)的特性矩陣，龍格庫(kù)塔法求解非線性方程。比較在不同的支座參數(shù)下的地震響應(yīng)來(lái)研究支座參數(shù)對(duì)隔震效果的影響。數(shù)值結(jié)果表明，鉛芯橡膠支座的初始剛度、硬化比和屈服強(qiáng)度比等參數(shù)對(duì)隔震橋地震響應(yīng)的影響較大，通過支座的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效地減少地震響應(yīng)的作用。

隔震橋；LRB；支座參數(shù)；地震響應(yīng)

1 引言

地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，橋梁的失效破壞巨大的人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。研究表明支承在墩臺(tái)上的隔震支座通過抑制水平地震加速度的傳遞和阻尼耗能來(lái)保護(hù)上部結(jié)構(gòu)免受破壞。

本文研究LRB隔震橋梁在雙向地震波作用下，通過對(duì)比不同的支座特性參數(shù)（包括初始剛度、硬化比和屈服強(qiáng)度）下隔震橋在地震波作用下的雙向地震響應(yīng)，從而得出支座參數(shù)與隔震橋隔震效果之間的因果聯(lián)系，為L(zhǎng)RB隔震橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)。

2 隔震橋數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法

本文以一座支承在隔震支座上的一般高度多跨連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘啊蛄旱南虏拷Y(jié)構(gòu)為剛性臺(tái)和鋼筋混凝土墩，考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)和橋墩的柔度。體系振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程為：

其中：kb為L(zhǎng)RB的初始剛度；、xb、yb分別為支座沿x、y方向的速度和位移。Zx、Zy分別為回復(fù)力的滯回位移在x、y方向位移分量；a為硬化比（akb即為支座屈服后剛度）；Fy是支座屈服力。

滯回位移分量由下面的耦合非線性一階微分方程來(lái)表達(dá)：

其中：β、τ、A為控制滯回線形狀和尺寸的參數(shù)；q是屈服位移本文中A=1，β=τ=0.5。

運(yùn)動(dòng)方程取時(shí)間步長(zhǎng)△t=0.02計(jì)算響應(yīng)，主要分析數(shù)據(jù)包括梁頂加速度，墩底內(nèi)力和墩臺(tái)相對(duì)位移。模型中結(jié)構(gòu)的阻尼取為5%。

3 支座參數(shù)對(duì)地震響應(yīng)的影響

3.1 剛度的影響

為了研究鉛芯橡膠支座剛度大小對(duì)隔震效果的影響，建立3個(gè)支座計(jì)算模型，分別取不同的支座剛度，其它參數(shù)均相同。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

支座剛度與梁體加速度的關(guān)系曲線如圖1所示。

3.2 硬化比的影響

為了研究鉛芯橡膠支座硬化比對(duì)隔震效果的影響，建立了6個(gè)計(jì)算模型，各模型除了鉛芯橡膠支座的硬化比不同外，其它參數(shù)均相同（如表2）。

硬化比與橋梁各主要響應(yīng)指標(biāo)墩底剪力的關(guān)系曲線如各圖2所示。

表1 不同鉛芯橡膠支座剛度的橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)

圖1 剛度與最大梁縱、橫向加速度關(guān)系圖

3.3 屈服強(qiáng)度比的影響

為了研究鉛芯橡膠支座屈服強(qiáng)度比對(duì)隔震橋隔震效果有影響，建立了7個(gè)分析模型，各模型除了鉛芯橡膠支座的屈服強(qiáng)度比不同外，其他參數(shù)均相同。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

4 結(jié)論

（1）隨著鉛芯橡膠支座的剛度增大，梁體加速度和墩底內(nèi)力增大，隔震效果逐漸減小，不利于隔震橋隔震。此外，梁體的縱向加速度和墩底內(nèi)力都要比橫向的變化明顯。所以為了獲得更好的隔震效果，可以采用剛度相對(duì)較小的鉛芯橡膠支座，但同時(shí)就會(huì)出現(xiàn)梁體與墩之間的相對(duì)位移過大的現(xiàn)象，甚至可能會(huì)導(dǎo)致落梁的情況，在本文中，當(dāng)支座的初始剛度取5000MPa時(shí)，隔震橋的支座縱向位移達(dá)到74.6cm。因此，我們?cè)谶x擇鉛芯橡膠支座時(shí)，應(yīng)該對(duì)支座剛度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）從計(jì)算結(jié)果可以看出，硬化比a在一定的范圍內(nèi)對(duì)橋梁的縱向響應(yīng)的影響大于橫向響應(yīng)。當(dāng)硬化比逐漸增大時(shí)，隔震橋的縱向隔震率下降速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向隔震率，相對(duì)于梁加速度和墩底內(nèi)力，硬化比對(duì)支座的位移影響相對(duì)要小。因此，在進(jìn)行鉛芯橡膠支座隔震橋參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，確定硬化比可只考慮縱向的影響。

（3）隨著鉛芯橡膠支座屈服強(qiáng)度的增大，隔震橋的縱、橫向的梁體加速度都有顯著的減小，而且可以觀察到縱向的減小速率要遠(yuǎn)大于橫向；隨著屈服強(qiáng)度的增加，支座位移減小，這是因?yàn)殡S著屈服強(qiáng)度的增大，支座變得更加剛性，而使得支座的相對(duì)位移減小，從屈服強(qiáng)度與支座位移的關(guān)系圖中可以看出，當(dāng)屈服強(qiáng)度超過一定值時(shí)，支座位移會(huì)逐漸增加。因此，對(duì)于隔震周期比較小的LRB隔震橋，存在一個(gè)最優(yōu)的屈服強(qiáng)度值，在最優(yōu)的屈服強(qiáng)度值時(shí)，梁體加速度和墩底內(nèi)力都最小。

表2 不同鉛芯橡膠支座硬化比的隔震橋峰值響應(yīng)

圖2 硬化比與最大墩底縱、橫向剪力關(guān)系圖

表3 不同鉛芯橡膠屈服強(qiáng)度比的隔震橋峰值響應(yīng)

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U441+.3

：A

：1673-0038（2015）05-0154-03

2015-1-16

羅列，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闃蛄赫駝?dòng)與控制。