衡水铅芯减震支座特性研究

工程算例分析

工程概况

　　本文中以一座一联4×40 m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6.9～10.3 m，桥型布置如图3所示，其中，P表示支座墩，数字代表墩号。

　　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。

　　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。2种模型支座设计采用如下形式。

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

2：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，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10 MPa)、足够大的初始剪切刚度(约为130 MPa)

　　Fig.7Bilinear Hysteretic Model of LRB及理想的弹塑性性能，且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能。铅芯能够提供地震作用下的耗能能力和静力荷载下所必需的刚度，因此由铅芯和分层橡胶支座结合的铅芯橡胶支座能够满足一个良好减隔震装置所应具备的要求：在较小的水平力作用下，具有较大的初始刚度，变形较小;在地震作用下，铅芯屈服刚度降低，延长了结构周期，并且消耗了地震能量。 　　铅芯橡胶支座的初始剪切刚度可以超过普通板式橡胶支座的10倍，其屈服后的刚度接近于普通板式橡胶支座的刚度。该桥P1～P5墩设置的铅芯橡胶支座型号为J4Q570×570×172G1.0。铅芯橡胶支座的相关参数见表1。

　　在结构地震反应时程分析中，如何选择输入的地震波，是一个很重要的问题。当选择地震波时，应该考虑地震动三要素，即地震动强度、地震动谱特性、地震动持续时间。

　　根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B0201―2008)和《中国地震动参数区划图》(GB 18306―2001)，该桥梁属于B类桥梁，基本地震动峰值加速度为0.20g，g为重力加速度，特征周期为0.40 s，Ⅱ类场地，场地系数为1.0，E1地震波抗震重要性系数为0.5，E2地震波抗震重要性系数为1.7。根据该桥梁地震烈度和场地土类别，采用和场址、场地土条件相近的天然地震波，经调整得到和设计加速度反应谱兼容的一组地震波，计算采用的地震波时程曲线如图8所示。表2中给出了地震波分析工况。

　　Tab.2Analysis Cases of Seismic Waves工况编号1地震波编号1加载方向11E211顺桥向+横桥向21E221顺桥向+横桥向31E231顺桥向+横桥向2.5非隔震桥梁与隔震桥梁动力特性比较

　　分别计算板式橡胶支座和铅芯橡胶支座对应模型的动力特性，2种模型前10阶的计算结果如表3所示。

　　由表3可以看出：模型2较模型1延长了结构的周期。模型1和模型2在切向和径向2个平动方向上支座的刚度较小，结构动力特性以侧弯的振型为主，第8阶才表现为竖弯振型。2种模型振型出现的先后顺序是一致的，第7阶以后2种模型的周期相等。

2.62种模型的内力响应、位移响应比较

　　为评价隔震桥梁的性能，对采用铅芯橡胶支座的隔震桥梁与采用板式橡胶支座的非隔震桥梁进行

　　减震率η定义为采用铅芯橡胶支座时的地震反应与采用板式橡胶支座时的地震反应相比降低的百分比，地震反应参数包括墩顶位移、墩底剪力和墩底弯矩。η可表示为[16]

　　η=SLRB-S1S

　　式中：SLRB为铅芯橡胶支座地震时的地震反应;S为板式橡胶支座地震时的地震反应。

　　分析计算结果取3个工况作用下结构最大响应，分别比较2种模型的内力响应、位移响应。

2.1内力响应最大值比较

　　分别计算3个工况作用下2种模型对应的桥墩内力响应和减震率，墩底剪力和墩底弯矩的计算结果分别如表4，5所示。

2.2位移响应最大值比较

　　分别计算3个工况作用下2种模型对应的位移响应，主梁位移、墩顶位移和支座位移的计算结果分别如表6，7所示。

2.7铅芯橡胶支座力学参数对减震效果的影响

　　在其他条件一致前提下，通过改变铅芯橡胶支座的力学参数(屈服强度、初始刚度)来研究铅芯橡胶支座的减震效果。

2.7.1屈服强度对减震效果的影响

　　在其他条件一致前提下，通过改变铅芯橡胶支座的屈服强度进行研究。下面分别计算铅芯橡胶支座初始刚度为13 000 kN・m-1时，屈服强度分别为67，96，171，267，363 kN这5种情况下桥墩弯矩、位移以及主梁位移，计算结果见图9～11。

2.7.2初始刚度对减震效果的影响

　　在其他条件一致前提下，通过改变铅芯橡胶支座的初始刚度进行研究。下面分别计算铅芯橡胶支座屈服强度为171 kN时，初始刚度分别为9.6，13，19.6，24.7，28.4 MN・m-1这5种情况下的桥墩弯矩、位移以及主梁位移，计算结果如图12～14所示。

　　而增大;主梁顺桥向位移和横桥向位移随着铅芯橡胶支座初始刚度的增大先增大后减小。3结语

(1)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。板式橡胶支座和铅芯橡胶支座设计的桥梁结构动力特性均以侧弯的振型为主，而竖弯振型出现较晚，2种模型振型出现的先后顺序是一致的。

(2)铅芯橡胶支座的减震效果优于板式橡胶支座，设计的铅芯橡胶支座具有明显的减震效果;设计中采用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。

(3)较常规板式橡胶支座设计，采用铅芯橡胶支座，可以减小主梁、墩顶和支座的位移;墩顶的位移小于主梁和支座的位移，桥墩的位移均较小，在E2地震作用下，桥墩结构能够处于弹性受力阶段，保证了桥墩的安全;采用铅芯橡胶支座，减小了墩顶的位移，但是主梁和支座的位移较大，因此上部结构设计时应该设置防落梁装置和防撞挡块，以确保结构的安全。

(4)在其他条件一致前提下，增大铅芯橡胶的某个力学参数(屈服强度或初始刚度)虽然可以减小主梁的位移，但是增大了墩顶的位移和墩底的内力。因此在减隔震设计中，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