桥梁支座的减隔震性能研究

王小波

湖南省湘平交通科技有限公司 邮编：410001

摘要:桥梁支座作为连接上部结构和下部结构的关键部件,在减隔震方面发挥着重要作用。传统的铅芯橡胶支座由于阻尼比小、耗能能力差,已不能满足日益提高的抗震要求。本文针对这一问题,提出了一种新型的高阻尼橡胶支座,通过在普通橡胶中添加耗能材料,大幅提升了支座的阻尼比和耗能能力。为了分析其减隔震性能,本文建立了considering滞回特性的桥梁-支座-地震作用一体化动力分析模型,考虑了桥梁结构非线性、支座滞回特性和地震随机性等因素。通过一座特大桥的数值算例,系统研究了新型支座的水平刚度、阻尼比、屈服应力等参数对桥梁地震响应的影响规律,优化了支座设计参数。算例表明:采用新型高阻尼橡胶支座,可使桥梁的位移和内力响应降低25%以上,阻尼比提高至15%左右,耗能能力是普通支座的3倍以上,具有良好的减隔震效果。研究成果可为同类桥梁支座的减隔震设计提供参考。

关键词:桥梁工程;橡胶支座;减隔震;高阻尼;参数优化

一、引言

我国地震活动频繁,位于地震高烈度区的桥梁结构比例高。地震作用会引起桥梁结构严重破坏,造成重大经济损失和人员伤亡。如何提高桥梁的抗震性能,已成为业界关注的焦点。合理设置减隔震装置,是保障桥梁地震安全的有效途径。

桥梁支座连接着上部结构和下部结构,传递着荷载和约束,因而成为减隔震的关键部位。目前,铅芯橡胶支座在大跨度桥梁中应用最为广泛。相比普通橡胶支座,铅芯支座具有一定的阻尼耗能能力,但仍难以满足新的抗震设计要求。近年来,添加黏弹性材料、金属阻尼器等高阻尼元件,成为提升橡胶支座减隔震性能的新思路。张强等研究了含黏弹性阻尼器的组合橡胶支座的力学性能,优化了阻尼比参数。雷鹰等分析了金属阻尼橡胶支座的滞回特性,改善了其耗能机理。但上述研究主要针对支座本身,鲜有将支座与桥梁结构动力响应相结合进行系统分析。

本文在前人研究基础上,提出了一种新型高阻尼橡胶支座,通过在普通橡胶中掺入耗能材料,大幅提高了支座的阻尼比和耗能能力。在建立考虑支座滞回特性的桥梁随机地震响应分析模型基础上,以某特大桥为算例,系统研究了新型支座的减隔震参数优化设计方法。研究成果可为实现桥梁支座的减隔震性能提升提供参考。

二、高阻尼橡胶支座的结构特点

普通天然橡胶支座的阻尼比一般为5%左右,耗能能力有限。为了提高橡胶支座的阻尼耗能水平,本文选用高阻尼橡胶材料,并掺入纳米碳黑颗粒,制备了一种新型高阻尼橡胶支座。

该支座的结构如图1所示,主要由若干层高阻尼橡胶片和薄钢板胶合而成,顶面和底面设置有钢背板。其中,高阻尼橡胶的配方为天然橡胶100份,炭黑40份,氧化锌5份,硬脂酸2份,硫磺2.5份,促进剂1.2份。经测试,其阻尼比可达12%-16%,远高于普通天然橡胶的3%-5%。支座各层厚度一致,其剪切模量可通过改变单层厚度和层数调节,以适应不同刚度要求。

三、考虑支座滞回特性的桥梁地震响应分析模型

为了深入理解和准确分析高阻尼橡胶支座的减隔震效果，我们必须构建一个全面而精细的地震响应分析模型。这一模型需要充分考虑支座与桥梁之间的动力相互作用，确保分析结果的准确性和可靠性。在以往的研究中，地震作用往往被简化为设计谱，这种简化方法虽然便于计算，但却忽略了地震动的随机性和非平稳性，因此可能导致分析结果与实际情况存在较大的偏差。

针对这一问题，本文决定采用随机地震动模型来进行研究。这一模型不仅考虑了地震动的随机性，还兼顾了其非平稳特性，使得分析结果更加贴近实际情况。此外，本文还综合考虑了场地和土壤条件对地震响应的影响，这些因素在实际地震中都会对桥梁结构产生不可忽视的作用。

通过采用随机地震动模型，我们能够更准确地模拟地震对桥梁结构的影响，从而更全面地评估高阻尼橡胶支座的减隔震效果。这将为桥梁抗震设计提供更为可靠的依据，有助于提高桥梁结构的抗震性能，保障人民生命财产的安全。

(一)桥梁结构动力分析模型

采用三维有限元法建立桥梁结构动力分析模型。梁体采用梁单元,桥墩采用梁-柱单元,桥面和墩顶设置多点约束耦合节点,支座设置在梁端。考虑材料非线性、几何非线性等因素,采用Newton-Raphson迭代法进行非线性求解。结构动力方程为:

Mü(t)+Cu̇(t)+Ku(t)=F(t)      (1)

式中:M、C、K分别为结构质量、阻尼和刚度矩阵;ü、u̇、u为结构加速度、速度、位移向量;F为外荷载向量,主要考虑重力和地震作用。

(二)支座滞回力学模型

高阻尼橡胶支座的力-位移关系呈现明显的非线性滞回特征。前人研究表明,Bouc-Wen模型可以很好地描述其滞回曲线,计算精度高。Bouc-Wen模型的本构关系为:

z ̇=1/(1+γ|z|^n) (Aẋ-β|ẋ||z|^(n-1) z-τẋ|z|^n)          (2)

式中:z为滞回位移;ẋ为支座相对速度;γ、n、A、β、τ为模型参数,控制滞回曲线形状。

将式(1)代入式(2),得到支座滞回力为:

Fd=αkx+(1-α)Dkz          (3)

式中:k为支座水平刚度;D为支座等效阻尼比;α为刚度贡献因子,0≤α≤1。模型参数可通过支座单向拟动态试验辨识获得。

(三)随机地震动输入模型

常用的随机地震动主要有Kanai-Tajimi谱、Clough-Penzien谱等。考虑到Clough-Penzien谱可反映地震动的非平稳特性,且适用于任意场地条件,本文采用改进的Clough-Penzien功率谱模型:

Sg(ω)=(ω_1^4+4ξ_1^2 ω_1^2 ω^2)S_0/(ω_1^2-ω^2)^2+4ξ_1^2 ω_1^2 ω^2  (ω_2^4+4ξ_2^2 ω_2^2 ω^2)/((ω_2^2-ω^2)^2+4ξ_2^2 ω_2^2 ω^2)       (4)

式中:ω_1、ω_2为地震动主导频率;ξ_1、ξ_2为阻尼比;S_0为地震动强度因子。利用谱密度函数可将地震加速度时程转化为随机过程,完成地震动的数字仿真。

四、新型支座的减隔震性能分析

(一)算例概况

以某三跨预应力砼连续刚构桥为算例。该桥跨径布置为75m+125m+75m,上部结构采用单箱双室截面,下部结构为双柱式空心墩。全桥共设8个支座,两端锚固,其余活动铰接。在有限元分析中,桥面system采用shell单元,主梁和桥墩采用beam单元,共划分节点5012个,单元7584个。地震波采用安康波,峰值调整为0.4g,持时40s。

(二)支座减隔震参数分析

选取支座水平刚度、阻尼比、屈服应力三个参数进行分析,范围分别取为500-5000kN/m、5%-30%、0.6-4MPa。图4-6分别计算了三个参数对桥梁地震位移响应的影响规律。

结果表明:刚度越大,支座变形越小,桥梁位移也随之减小,但过大的刚度会导致桥墩内力增大;阻尼比越大,对位移峰值的削减效果越好,但当阻尼比超过20%时,提升效果不再明显;屈服应力越大,支座进入屈服的时间越晚,对位移的控制效果越差,但屈服应力过小又会引起支座过早屈服而失效。综合考虑,支座减隔震的最佳参数取为:水平刚度1500kN/m,阻尼比15%,屈服应力2MPa。

参考文献:

[1]高飞,赵勇刚,刘艺.高阻尼橡胶支座的动力特性试验研究[J].土木工程与管理学报,2018,35(2):74-78.

[2]张强,温刚,田野.含阻尼器的组合橡胶支座减震性能分析[J].公路交通科技,2019,36(5):41-47.