发信人: courieryboo (小凡·每天灌水多一些...), 信区: DC
标  题: 铅销橡胶支座应用与桥梁减震的优化配置研究
发信站: BBS 水木清华站 (Wed May 24 16:38:14 2000)

摘　要：探讨了铅销橡胶支座(LRB)用于桥梁减震的有效性及其铅销的优化配置，利用非
线性时程分析法研究了典型“U”型和“V”型河谷上的梁式简支桥在不同地震波激励下
的地震作用，结果表明采用合理配置的LRB较普通的橡胶支座(RB)具有同时减小支座的最
大变位和降低桥墩的地震响应等优点，并指出桥梁采用LRB减震主要是靠墩与梁的动力相
互作用来实现。
关键词：桥梁；铅销橡胶支座；非线性时程分析；减震；动力相互作用
分类号：U443.361　　　文献标识码：A
文章编号：1007-4112(2000)01-0039-04
The Study of Seismic Reduction of the Bridge Equipped
with Optimal LRB
LIU Yun-he
（Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China）
ZHANG Jun-fa　TIAN Jie
（Xi′an University of Technology,Xi′an 710048,China）
Abstract：The effectiveness of seismic reduction of the bridge equipped with
 lead rubber bearing(LRB) and the optimal configuration of LRB are studied.T
he responses of simply supported beam-bridge sited in the U-shaped and V-sha
ped valleys excited by different ground motions are analyzed with non-linear
 time-history response analysis procedure.The result shows that the bridge e
quipped with the optimal LRB can resist the earthquake loads better than whi
ch equipped with the normal RB,the deformations of the bearings and the eart
hquake responses at the top of the piers will be reduced.The mechanism of th
e seismic reduction of the bridge equipped with LRB,the interaction between
the piers and the beams,is pointed.
Key words：bridge;LRB;non-linear time-history response analysis procedure;se
ismic reduction;dynamic interaction▲
　　桥梁是交通运输线上的枢纽工程，是生命线工程的重要组成部分，在抗震减灾中起
着重要作用。而生命线工程的破坏将造成救灾工作的巨大困难。提高桥梁的抗震能力一
直是抗震工作者关心和研究的重要课题。
　　近几十年来，桥梁抗震研究不断取得新成果，受现代控制论的影响，已从单纯加大
构件的刚度、强度的“抗震”设计思想转变到采用某些特殊装置减小地震作用的“控震
”设计观念。在桥梁梁体与墩、台连接处设置板式橡胶支座(RB)，主要用于解决温度变
化的影响，但近来的研究及实际地震表明，这种支座可以有效地减轻震害，这可被理解
为是一种控震方案。近年来，在橡胶支座(RB)基础上发展起来的铅销橡胶支座(LRB)是融
减震和耗能为一体的非线性装置，已在房屋基底隔震中得到广泛研究，并付诸于实用。
桥梁减震则不同于房屋的基底隔震，是在梁与墩、台间设置减震支座，且桥梁的形式多
种多样。LRB对桥梁减震能否取得预期的减震效果则需深入研究。
　　本文对典型的“U”型和“V”型河谷上的梁式简支桥，以LRB作为其减震措施时的减
震效果、减震机理进行了探讨，得出一些规律性的结果，对桥梁减震设计有重要参考价
值。
1　LRB减震体系的计算模型
1.1　LRB恢复力计算模型
　　铅销橡胶支座(LRB)(如图1)是在普通橡胶支座(RB)中，竖直地压入铅销而形成，由
于铅的屈服应力(剪切屈服极限)较低，再结晶能力较强，具有较好的耐疲劳特性，当支
座发生反复水平剪切变形时，铅销具有稳定的耗能能力，且这种支座构造简单，因而被
认为是一种较好的减震装置。大量的拟动力试验结果表明［1，2］，LRB具有良好的滞回
耗能特性，由于铅销的压入，其初始剪切刚度K1比RB的刚度有较大的提高，当铅销屈服
后，其二相刚度K2趋于RB的刚度KR。LRB的屈服强度与铅销的面积相关，增大铅销的截面
面积，可以提高其屈服剪力Qy，使滞回曲线的饱满程度增加，提高耗能能力。其滞回特
性可由图1所示的双线性恢复力模型来描述。
图1　铅销橡胶支座及滞回恢复力曲线
　　图1中，Qy为铅销的屈服力，一相刚度K1与K2和Qy有关，参考文献［3］，本文建议
按下式确定

式中：W为支座的竖向设计承载力；Qy/W则可以被认为是反映LRB的橡胶用量与铅销用量
之比等因素的一个综合设计参数。
1.2　聚四氟乙烯滑板支座的滞回模型
　　实际工程中在桥台与梁体之间也常采用聚四氟乙烯滑板支座连接。这种支座滞回模
型可视为双线性的一种特例。一相刚度K1即为普通板式橡胶支座的剪切刚度，二相刚度
K2为零。屈服力即支座顶面与梁体间的滑动摩擦力。
1.3　非线性地震响应分析
　　将体系离散为若干个质点的有限元模型，则地震响应方程可写为

式中：[M]、[C]、[K]分别为体系的质量、阻尼和刚度矩阵；[C]、[K]是时变的；｛x｝
为体系相对于地面的位移向量；｛I｝为单位向量；为地面输入加速度。
　　由于体系的非线性，式(2)的求解应采用增量法，其增量响应方程为

　　本文中式(3)采用Wilson-θ进行逐步积分求解，θ取1.40。
2　算　例
　　为了分析桥梁设置LRB的减震效果，文中考虑了“U”型、“V”型河谷上简支梁式桥
的计算模型。
　　模型A：某“U”型河谷上五跨四墩简支梁式桥，墩高相同，在梁体与墩间采用RB或
LRB，在梁与桥台间则采用聚四氟乙烯滑板支座，计算简图见图2。假设桥台为刚性，桥
墩与地基刚性连接，梁体按刚体处理，桥墩离散为一系列平面梁单元，减震支座用非线
性弹簧单元代表。每跨梁体长均为30 m，其重量为3　310 kN；4根桥墩高均为16 m，其
线容重为81.05 kN/m，截面抗弯惯性矩I=0.801 m4，混凝土的弹性模量为2.55×107 kN
/m2。
图2　简支梁桥计算模型(模型A)
　　每跨梁两端支座各承受的竖向荷载为1　655 kN，据此每端选用4个GJZ200×250×4
2板式橡胶支座［4］。支座群的设计承载力为W=4×500=2　000 kN，对RB支承，水平剪
切刚度KR=3　600 kN/m，对LRB支承，考虑压入不同直径铅销的情况，按式(1)确定其一
相刚度。
　　对滑板支座支承，梁每端总剪切刚度K=3 600 kN/m，滑板动摩擦系数μd=0.02，则
每端总屈服剪力为33.1 kN。
　　模型B：某“V”型河谷上五跨四墩简支梁式桥，墩高不等，是在模型A上将P1、P4墩
的高度取为8 m，其它参数与模型A相同。
　　地震动输入为E1-Centro(1940NS)波(简记为E1)和人工地震波(简记为E2)，其地面加
速度峰值取220 gal，计算持时为20 s，此2条地震记录加速度反应谱的卓越周期分别为
0.55 s和0.30 s。
　　分析考虑：模型A、B　①梁体与桥墩采用RB连接；②梁体与桥墩之间采用LRB连接，
并考虑LRB中取Qy/W=1%、2%、3%、4%、5% 5种情况，分别相当于板式橡胶支座内插入Φ
25、Φ33、Φ40、Φ46、Φ52 mm直径的铅销所形成的LRB支座。
3　计算结果及分析
3.1　计算结果
　　表1给出了桥梁体系的初始时刻第一阶固有周期。
　　　　　　表1　系统第一阶固有周期　　　　　　　(s)
Qy/W(%) 0 1 2 3 4 5
模型A 1.645 1.338 1.270 1.239 1.221 1.210
模型B 1.558 1.152 1.014 0.935 0.882 0.842
　　表2给出各墩顶的最大位移响应。因结构对称，最大响应也对称，计算结果也反映出
这一点，故表中仅给出了2个墩的结果。
表2　各墩顶最大位移响应　　　　　(cm)
方案 墩号 Qy/W(%) 模型A 模型B
E1-Centro
波 人工波 E1-Centro
波 人工波
RB P1 0 2.92 2.32 0.40 0.41
P2 　 3.31 2.68 3.21 2.87
LRB P1 1 2.72 2.13 0.39 0.37
P2 　 2.71 2.55 2.60 2.62
P1 2 2.68 2.45 0.37 0.36
P2 　 2.62 2.74 2.47 2.61
P1 3 2.73 2.75 0.44 0.41
P2 　 3.05 2.90 2.76 2.65
P1 4 3.19 3.10 0.47 0.46
P2 　 3.41 3.19 3.03 2.65
P1 5 3.03 3.50 0.55 0.49
P2 　 3.67 3.42 3.37 2.67
　　图3给出了不同地震作用下计算模型的墩底最大剪力与Qy/W的关系曲线。
图3　墩底最大剪力与Qy/W的关系曲线
　　图4给出了2种模型P1与B2间LRB在不同地震作用下的最大变形与Qy/W的关系曲线(其
它支座变形均与此LRB有同样规律)。
图4　P1与B2间LRB最大变形与Qy/W关系曲线
　　图5给出了在E1-Centro波激励下，模型A采用LRB(Qy/W＝2%)桥梁P1与B2间LRB恢复力
曲线。
图5　P1与B2间LRB恢复力曲线
　　图6～图7给出了在E1-Centro波激励下，模型A采用RB与LRB(Qy/W=2%)的桥梁各部位
地震响应。
图6　模型A在E1-Centro波激励下，采用RB的墩顶与梁体加速度响应
图7　模型A在E1-Centro波激励下，采用LRB(Qy/W=2%)的墩顶与梁体加速度响应
3.2　LRB减震的有效性
　　由表2、图3、图4可知，不论“U”型、“V”型河谷上的桥梁在梁体与桥墩间采用匹
配得当的LRB支座时，桥墩所受的地震荷载及墩顶最大位移都比采用RB有大幅度减少，具
有较好的减震效果。尤其是随Qy/W的增加，支座的最大变形相应得到大幅度地减少，降
低了梁体地震响应的位移，提高了桥梁的抗震能力。由表2还可看出若梁体与桥墩间所采
用的LRB支座匹配不好(即Qy/W取得不合适)，不但不能减小桥的地震响应，还将使响应加
强，因此LRB的使用存在优选的问题。
3.3　铅销尺寸的优势
　　铅销的屈服力Qy与铅销截面面积成正比，Qy/W则可以反映铅销尺寸变化，由计算结
果可见，在Qy/W一定范围内，相对RB而言，采用LRB桥梁墩顶最大位移较小，即桥墩所受
的地震作用较小；另外，随Qy/W的增加，支座的最大变形也大幅度减少。众所周知，减
震效果是在减震系统安全可靠的前提下发挥作用的，如果支座变形过大，其安全可靠性
难以保证，因此，铅销截面尺寸存在优选问题，实际选取铅销时，应结合分析，有保证
有最佳的减震效果的前提下，尽可能选取截面较大的铅销，以减少支座的变形，提高系
统的安全可靠性，Qy/W的增加有效地减少了支座的最大变形，同时也减少了梁体的位移
，起到了防止落梁和减少伸缩变形的作用。
　　由图3、图4还可以看出，采用LRB后调整了诸墩对地震作用的分配，对于“U”型河
谷，各墩的刚度比较接近，随Qy/W的增加，各墩所受地震作用趋于均匀化，但对“V”型
河谷桥，各墩刚度相差比较大，随Qy/W的增加，矮墩所受的地震作用加大，诸墩对地震
作用出现集中分配现象，因此，对于“V”型河谷桥，采用LRB时，更要注意铅销截面的
优选。
3.4　LRB的减震机理
　　由图6、图7可见，采用LRB和RB后梁体和墩顶的加速度都存在有相位差，本文认为L
RB与RB的减震是梁体与墩以及墩台之间发生动力相互作用所致，正如范立础［5］指出的
“桥墩的地震力有两部分，一是梁体传给墩的地震力，另一个是墩体本身所承受的地震
力，这两部分不总是‘和’，也可能是‘差’”，消弱了地震作用。合理配置LRB更有效
利用桥梁体系各部位间动力相互作用，使得采用LRB比RB减震效果更好。
4　结　语
　　本文典型的“U”型、“V”型河谷上采用RB与LRB减震的简支梁式桥进行了较为系统
的研究，通过实桥模型的多种方案的非线性时程分析，得出以下结论：
　　(1)在简支梁式桥中采用LRB比RB在一定范围内具有良好的减震效果。不但可以减少
墩的地震作用效应，而且还可有效地控制支座的变形，减小梁体位移和伸缩缝的变形。
在RB的基础上采取简单措施(压入铅销)获取较大的减震效果，是值得普遍推广的。
　　(2)对具体工程的控震指标要求，可以通过优选LRB参数来实现。
　　(3)采用LRB的减震机理是利用桥梁各部位的动力相互作用，及铅销的耗能作用来降
低地震作用效应，其中动力相互作用是主要的。
责任编辑：孙守增■
基金项目：交通部“公路桥梁减震装置及方法研究”科研经费资助
作者简介：刘云贺(1965-)，男，辽宁凌源人，西安理工大学讲师，西安交通大学博士生

作者单位：刘云贺（西安交通大学，陕西　西安　710049）
　　　　　张俊发（西安理工大学，陕西　西安　710048）
　　　　　田洁（西安理工大学，陕西　西安　710048）
参考文献：
［1］SKINNER R I,ROBINSON W H,MCVERRY G H. An Introduction to seismic Isolat
ion［M］.New Zealand:John Wiley & sons Led.,1993.
［2］胡兆同，刘健新.桥梁铅销橡胶支座的试验研究［J］.西安公路交通大学学报，19
98，18(2).
［3］张俊发，刘云贺，田　洁.铅销橡胶支座应用于多层框架结构的增层减震研究［J］
.西安建筑科技大学学报，2000，(1).
［4］中华人民共和国交通部.公路桥板式橡胶支座(JT/T4—93)［S］.1993.
［5］范立础.桥梁抗震［M］.上海：同济大学出版社，1997.
收稿日期：1999-04-30

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梧桐身旁的浮云里 飘出一弯朦胧的月亮    *        *
清清淡淡的月光 静静地飘落在我身旁         ●
   ahuang
在寂寞的晚上 我就是一只音乐虫子      ^^   *
飞呀飞呀找不到爱发源的地方... ...
                                          ●


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