铅芯橡胶支座隔震效果分析

避}熊溪期葵董葵葵一阚瓣釜葵饕瓣藤黧葵葵葵藤鬻}葵葵葵葵葵葵霪葵霪l釜辩蓠鬻嚣葵葵i}鎏鏊§葵葵萋葵§葵 铅芯橡胶支座隔震效果分析 江海波廖蜀樵 (铁道第一勘察设计院上海研发中心，200435，上海／／第一作者，工程师) 摘要铅芯橡胶支座有较高的初始刚度，又能允许较大的 变形，可以提高桥梁抗震性能。通过模拟铅芯橡胶支座的滞 回性能，把支座和桥梁当作一个整体考虑，进行非线性时程 计算。分析了铅芯支座的抗震效果，比较了铅芯支座在不同 的桥面刚度和不同基础刚度下的抗震效果。 关键词桥梁，铅芯橡胶支座，滞回曲线，时程分析 中图分类号U442．5+5 AIlalysis帆seismicReducti帆ofk州-RubberBf烈in擎 JiangHaib0，LiaoShuqiaO Abstr习IctLead—RubberBe商ngShaveaKghero打百nalstiffneSS andcanbeeasilydistorted，thatwillhelptoprClmotetheanti— eanhquakeflmctionofbridgeS．Thispapera11alySeStheeffec— tiveneSsofseiSmicreductiOnofthebridgeequippedwithlead— rubberbearings，曲mulateSthequalityofitsdelayedcird} cun，e，makesannon—lineartim}histO匹yresp)nsecalculation， andfinally∞mparesthetheS1lrfacestiffnessa11dthe{bunda— tionalstiffneSSofbridges． Key删陆Mdge，Lead—RubberB谢ngS，delayedcircl} curve，tim}hiStoryresponsea11alysis． First-明thor7s addre鼯蛳haiTechnologyR&DC朗ter， TheFirStRailwaySs1】rveyaIldDesignInstitute，200435， Shanghai，C11im 铅芯橡胶支座有很大的滞回性能以及在地震作 用下产生很大的变形，可以减少整个结构体系的刚 度，加长振动周期，从而避开卓越周期处的强烈地面 震动，同时又可耗散地震输入结构的能量，保证建筑 物安全，比传统的抗震设计经济得多。由于铅有很 好的再结晶恢复其力学性能，可以加载3400周塑 性变形，其性能不会发生明显变化。因此铅芯橡胶 粱 作为桥梁隔震有很大的应用空间。本文比较了不同 基础和桥面刚度的桥梁的支座位移反应时程和支座 剪力反应时程，以及基础底的剪力反应时程和弯矩 反应时程，来说明铅芯橡胶支座的隔震作用。 1工程概况 分析对象为4孔32m的预应力混凝土梁桥；每 孔梁的质量77z=3．47×105kg，作刚性梁处理，取弹性 模量E=3．2×1010Pa；两端为桥台，中问3个桥墩。 桥墩高度10m，为圆形等截面桥墩，直径为D=3．0 m，墩的弹性模量E=2．8×1010Pa，体积质量)，= 2300kg／m3。计算模型如图1所示。 隔震装置在支座处设置。支座高0．22m，全部 采用西500铅芯橡胶支座。每孔梁4个支座，支座 上端用螺栓与梁底相连。支座的滞回曲线可以简化 为双直线的特性uJ(见图2)。由于它有很好的初始 刚度，能很好地满足列车运营中水平刚度的要求。 计算中利用大型有限元软件ANSYS中的CCIm— bin39单元来模拟支座的滞回性能。 地震加速度的时程采用美国1933年3月10日 记录的LongBeachEarthqual【e．CA地震加速度，其 最大值为63．6Cm／S2。把其幅值扩大10倍(其它如 频率等不变)，可以折算为9度罕遇地震相当的最大 加速度636cm／S2。其加速度值在前10s很大，后面 就小了，所以计算其它地震最大作用值可取前20s。 考虑桥面有纵向弹性连接的作用心J，取桥面刚 度系数K桥面=25000kN／m计算，另取K桥面=10 kN／m计算作为比较。 图1桥梁计算模型图 · 35· 万方数据 葵l娥瘵漱遂蕊毽添瞎嚣葵§葵霪葵霪辫l鼗黼葵釜葵萋葵葵惑葵一葵§黼溪葵骥饕蓬鬻餐鬻，辫藩辩藤辫葵瀚葵熬婺 y，kN J1u 形1027 陟 6．≥／ 275 7 ／ 图2铅芯橡胶支座的滞回曲线 地基情况如下：基础采用桩基础，取轨道交通1 号线某一桥墩桩基布置形式。软弱地基时，桥梁基 础水平刚度K】1=3．276×105kN／m，桥梁基础转动 刚度K22=7．824×106kN·m／rad；硬地基时，K11= 2．013×106kN／m，K，，=2．625×10 7 kN·m／rad；岩 石地基时，桥墩下端按嵌固处理。 阻尼矩阵采用质量矩阵与刚度矩阵的线性组 合【3J。考虑到结构进入塑性阶段，全结构的阻尼采 用振型阻尼比为拿】=＆=0．15。 2运营性能检算 根据《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》， 跨度为32m的简支梁桥墩顶纵向水平刚度限值 400kN／cm(双线)。下面用这个限值来检算采用橡 胶支座的桥梁的墩顶水平刚度在运营中的安全性． 当为软弱地基时，K11=3．276×105kN／m，K22= 7．824×106kN·m／rad，墩身的截面二次矩J=等 0q =3．98mj，E=2．8×107kPa，支座的初始刚度为 K专瘁=66kN／，rn。 单位作用力作用于墩顶时(设F=1kN)，墩顶 位移为： ∑哉=艿p+艿甲+艿h+占。=22．48×10～6m 式中，F为作用于支座顶面的纵向水平力；艿。为由 于墩身弯曲引起的墩顶位移；d。为由于基础倾斜引 起的墩顶位移；dh为由于基础平移引起的墩顶位 移；占。为由于橡胶支座剪切变形引起的支座顶面的 位移。 P 墩顶的水平刚度为K墩顶=击=445kN／cm 二Ju￡ >400kN／cm，满足运营要求。 3计算结果 为研究支座的滞回性能对抗震的影响，表1～3 列出了采用线性支座和采用铅芯橡胶支座在地震作 用下对桥梁结构的影响。线性支座的弹性刚度与铅 芯橡胶支座的初始刚度相同，其它的条件均不变。 表中把线性支座计算结果作为基数，铅芯支座的计 算结果与之比较，以“+”、“一”号表示增减；K表示 桥面刚度，计算方向按顺桥方向计算。 图3～8为岩石地基时，在不同桥面刚度下，铅 芯橡胶支座和线性支座在地震作用下的时程比较图 (不考虑铝芯的滞回耗能作用)。 表l基础为软弱地基时支座变形、支座反力、桥墩基础处反力的最大值 ·36 · 万方数据 §满j蓬期瓣藤；鬻黼黼曩葵辫黼鬻鬻藤§《鎏瓣熬鬻蘩黼§{潮粪鬻揍襄黼葵惑黼一§≤鬻：爨懑漆蕊藤l 表2基础为硬地基时支座变形、支座反力、桥墩基础处反力的最大值 表3基础为岩石地基时支座变形、支座反力、桥墩基础处反力的最大值 O．09 O．06 g O．03 楼 O 迥加．03 —0．06 n ⋯⋯一锚芯叉座 !——线性支座 一凡徘鼻．A蕊．菲』＼几．凡。n～^二 f 氘露。★．府i-篡奔l尉、士。．，、．^．尺：． !V”鹭wV’谢。誓苫∥Vvv；飞y／yoWV。涉⋯。。_。wi。。uV》酱哆：： 图3 K=25000kN／m时支座4在地震作用下的变形反应时程 0．15 — 0．10 蠢 吼05 通 O —O．05 ⋯⋯一铅芯支座 一 ． ?'’，．，、、， ：’J’’jj?、。．’、． j+-一’，、j‘、、、，，、，’、，、、，j，、．，．、，、j、-^、矗．．而．i、IA、^．肌小iiI“：A^．．K．一?、，又．～^，、⋯．≮■0，^． 。。。E”犷-4vV，一。一9V。fWV∥””泛”’l彳。。v6。。V淹。’2( 图4 K=10kN／m时支座4在地震作用下的变形反应时程 ·37· 万方数据 鼙}《蔑翥藤鬟秘趋龟葵叁甏《iI撩；鲶￡；蕊鹫蓬≥§冀葵；簿萋￡藤簿羚葵§l葵釜i§§嚣阚羹曩葵蒸萋l≤≤辫葵藤§蘸葵蓬}；董鬻}≤羹葵粪目≤目睽鼹萋婆 4结语 ⋯⋯一一铅芯支座 图5 K=25000kN／m时桥墩2基础处在地震作用下的剪力反应时程 4000 皇 2000 浍 O 掣一2000 —4000 一AAA．^月．杰A舰A．An扶 从n．nA⋯．．／＼以，。，＼．A。。A一，、．A、 ．——线性支座 !＼7V噬’YV4甜’V一甲∥V⋯∥V涮V”K”，iV翟VV1；『。"美 f／s 图6 K=10kN／m时桥墩2基础处在地震作用下的剪力反应时程 30000 20000 吕 10000 蠢 。 高一lO000 ⋯一20ooO 一30000 一40000 i胁瓜^A．A^。f＼A4扎洲4．Af＼冉。^扎．．．．A。^AA^．，、．。 。 ．——线性支座 ；Vyw 2VVw圹、∥毽”y”WV≥篡V”⋯12VV珊VV1：”’v；；V。b妄 图7 K=25000kN／，m时桥墩2基础处在地震作用下的弯矩反应时程 30000 20000 口10000 蠢 o g一10000 —20000 一30000 一40000 ；4n氏l{I心A．^a^A．加 ——线侄受廑 8nA8矗．风⋯．矾肫八从n，、。』 ：帆V州＼『W小f瓣V，”’·z妒鼍V喋¨Vly。比 图8 K=10kN／m时桥墩2基础处在地震作用下的弯矩反应时程 (1)提高桥梁结构的基础刚度和桥面刚度，可使 地震对桥墩的作用有所减少；而桥梁结构利用铅芯 橡胶支座隔震后，地震对桥墩的作用会减少很多。 从表1～3和图3～8可以看出，使用铅芯橡胶支座 后，梁体的相对位移虽增加了38％～442％，但桥墩 的剪力和弯矩大大地降低了，减少值达到15％～ 64％，从而起到了很好的隔震效果。 (2)随着地基硬度变大，使用铅芯橡胶支座后， 基底桥墩所受的弯矩和剪力降低的幅度也变大。所 以在地质条件较好的情况下，使用铅芯橡胶支座会 更好地提高桥梁隔震效果。 参考文献 1 HwaIlgJS，ChouJ M．Aneguivalellt1inearmodeloflead—rubber ·38· sei蚵cIs01ationb嘶r】gs．E蟛n商119structures，1996，18(7)： 528～536 2何度心．梁抗震计算，北京：地震出版社，1991．62 3叶爱君．桥梁抗震．北京：人民交通出版社，2002．43 (收稿日期：2004—10—19) 柏林有轨电车 ∞∞0∞∞ O O O O 4 2 屯4 ￡＼漤q 万方数据