FPB-LRB聯(lián)合隔震性能研究

張彬，宋帥，錢由勝,劉妍秀

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.遼寧省國際工程咨詢中心，遼寧 沈陽 110000)

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FPB-LRB聯(lián)合隔震性能研究

張彬1，宋帥1，錢由勝2,劉妍秀3

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.遼寧省國際工程咨詢中心，遼寧 沈陽 110000)

FPB支座和LRB支座都是目前較受歡迎的減隔震支座，各自有其獨特的優(yōu)缺點。借助一聯(lián)3跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，探討FPB-LRB的聯(lián)合作用。采用非線性時程分析方法，分析不同LRB支座布設(shè)位置對FPB-LRB隔震橋梁的影響，并與只布設(shè)FPB支座進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明：FPB-LRB隔震橋梁較FPB隔震橋梁具有較優(yōu)的隔震性能，恰當(dāng)?shù)牟荚O(shè)LRB支座位置，可以進(jìn)一步提高FPB-LRB隔震橋梁減震率。

FPB支座；LRB支座；聯(lián)合作用；布設(shè)位置；隔震率

近年來，減隔震結(jié)構(gòu)由于具有良好的抗震性能和較低的抗震設(shè)防成本日益得到重視，不少學(xué)者對減隔震支座進(jìn)行了研究分析，取得了很大的突破[1-5]。目前較為常用的減隔震支座有鉛芯橡膠支座(LRB)、高阻尼橡膠支座以及摩擦擺支座(FPB)。LRB支座具有豎向剛度大、承載性能好、水平剛度適中和阻尼易調(diào)整的優(yōu)點，F(xiàn)PB支座具有對地震激勵頻率范圍的低敏感性和高穩(wěn)定性、較強(qiáng)的自限位、復(fù)位能力、優(yōu)良的隔震和消能機(jī)制等綜合性能[6-8]。本文結(jié)合兩種支座的優(yōu)點，借助有限元軟件，研究這兩種支座的聯(lián)合作用，并進(jìn)一步優(yōu)化支座的位置，使其聯(lián)合作用達(dá)到一個相對較優(yōu)的效果。

1 支座力學(xué)模型

1.1 FPB支座力學(xué)模型

目前常用模型有Boue-Wen模型和FP模型，Boue-Wen模型考慮不同方向獨立受力，滑動理論采用簡單的滑動庫倫摩擦原理，而FP模型考慮不同方向受力的影響，摩擦系數(shù)采用Mokha和constantinou提出的聚四氟乙烯與鋼板之間的修正庫倫摩擦系數(shù)。本文采用FP模型，其工作原理如圖1，F(xiàn)PB支座回復(fù)力表達(dá)式為：

(1)

式中：W為支座承受的荷載；R為滑動面半徑；D為水平位移；μ為摩擦系數(shù)。

1.2 LRB支座力學(xué)模型

鉛芯橡膠支座是目前橋梁隔震設(shè)計中應(yīng)用得比較多的一種減震支座，根據(jù)滯回曲線中正反向加載時的初始剛度與卸載時的剛度基本平行以及正反向屈服后剛度也基本互相平行的特性，將支座的滯回曲線簡化為雙線性曲線，從而建立起鉛芯橡膠支座滯回曲線的等價線性化模型，如圖2。滯回模型中的Qd為鉛芯屈服力，其表達(dá)式為：

Qd=q(γ)A

(2)

根據(jù)LRB支座的力學(xué)特性，其恢復(fù)力由橡膠與鉛芯的彈塑性性能和其粘滯阻尼性能確定，可表示為：

(3)

式中：q(γ)為鉛芯剪切應(yīng)力；A為鉛芯面積；u、v為支座的水平位移和速度；α為支座屈服后剛度與初始剛度的比值；uy、Qy分別為支座的屈服位移和屈服荷載；Z為考慮支座材料滯回性能的滯回特性分量；C為橡膠粘滯阻尼系數(shù)。

圖1 FPB支座工作原理Fig.1 FPB support working principle

圖2 LRB支座滯回曲線Fig.2 Hysteresis curve of LRB bearing

2 模型及工況

2.1 工程實例

某橋為3 跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋跨布置為70 m+120 m+70 m,主梁為單箱單室箱型截面，頂板寬15.75m，底板寬6.75 m，跨中梁高3 m,墩頂梁高7.5 m,從跨中到墩底梁高按二次拋物線變化。橋墩采用等截面矩形墩，過渡墩通過承臺由4根樁基礎(chǔ)支撐，主墩由6根樁基礎(chǔ)支撐?？拐鹪O(shè)防烈度為8 度，場地特征周期為0.4 s，場地類別為Ⅱ類。建立橋梁三維模型時，主梁采用彈性梁單元，考慮橋墩塑性鉸作用，用彈性支撐模型樁-土相互作用，橋梁模型見圖3。

圖3 橋梁模型Fig.3 Bridge model

2.2 支座布設(shè)方式及工況

該連續(xù)梁橋在非減隔震情況時采用盆式橡膠支座，在2號橋墩處布設(shè)固定支座，其余橋墩布置活動支座。這樣的支座布置對于減小橋墩的溫度效應(yīng)是有利的，但大量的理論分析和震害調(diào)查表明，在承受地震荷載時，會使得大部分地震作用集中在布置固定支座的橋墩上，不能充分發(fā)揮各墩群的抗震能力。

在減隔震設(shè)計中，一方面支座的阻尼可以耗散地震能量，同時，若能合理的布置支座，使地震效應(yīng)在各橋墩間合理分配，還可進(jìn)一步減小橋墩的內(nèi)力響應(yīng)[9，10]?；谶@一思想，采用了如圖4所示的支座布置方案。

圖4 支座布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of bearing arrangement

按照圖4支座布設(shè)方式，本文按照以下工況進(jìn)行對比分析研究：

工況1：采用盆式橡膠支座，研究非隔震支座時橋梁的地震反應(yīng)，盆式橡膠支座按照其承載力大小選擇GPZ(Ⅱ)型；

工況2：采用FPB支座，與工況1對比研究FPB支座的減隔震效應(yīng)，F(xiàn)PB支座的半徑R=5 m，摩擦系數(shù)μ取0.03；

工況3：保持工況2中隔震周期和主梁位移基本不變，將7和8支座換成LRB支座，此工況中LRB支座的屈服荷載為300 kN，水平方向彈性剛度為9 500 kN/m；

工況4：保持隔震周期和主梁位移不變，將5和6支座換成LRB支座，此工況中LRB支座的屈服荷載為750 kN，水平方向彈性剛度為9 500 kN/m；

工況5：保持隔震周期和主梁位移不變，同時保持LRB的屈服荷載與工況4中的相等，為充分利用FPB支座的高穩(wěn)定性、較強(qiáng)的自限位、復(fù)位能力，保持固定支座4不變，可減小橋梁落梁破壞的可能性，故將3和5支座換成LRB支座，此工況中LRB支座參數(shù)同工況4。

2.3 地震波輸入

本文以Elcentro波為基礎(chǔ)，按照地震烈度為8度的頻譜特性、地震動峰值和持續(xù)時間三要素，人工合成多遇地震烈度、基本設(shè)防烈度和罕遇地震烈度三條地震波。合成后的地震波如圖5。

圖5 地震波輸入Fig.5 Seismic wave input

3 響應(yīng)分析

3.1 LRB支座布設(shè)位置影響分析

按照以上工況及模型采用非線性時程分析，分析2號和3號橋墩墩底彎矩和剪力、主梁位移及橋梁基本周期在上述5中工況下的結(jié)果，橋梁結(jié)構(gòu)周期和主梁位移如表2。

表2 不同工況下橋梁周期及位移

Table 2 Bridge period and displacement under different working conditions

工況周期/s主梁位移/mm多遇地震基本設(shè)防罕遇地震工況11.1809942.35467.327116.890工況24.55673817.726153.808314.842工況34.22838812.355112.466258.315工況44.82154738.475153.333333.452工況54.66228735.648149.511323.974

分析表2可得，工況3、4和工況5的周期與工況2的較接近，最大差值為5.8%。多遇地震作用下，工況4和工況5的主梁位移較工況2的增長較大，這有利于橋梁抗震。在基本設(shè)防烈度和罕遇地震烈度作用下，主梁位移最大相差2.7%和5.9%。

通過以上分析可知工況2、3、4和工況5的周期和主梁位移相差較小，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析兩主墩墩底剪力的變化情況，墩底剪力如圖6所示。

(a)多遇地震烈度;(b)基本設(shè)防烈度;(c)罕遇地震烈度圖6 三種地震荷載作用下剪力結(jié)果對比Fig.6 Comparison of the results of shear force under three kinds of earthquake

分析圖6可知，在各地震烈度作用下，從工況1到工況2，兩主墩墩底剪力減小弧度較大，說明FPB支座減震效果明顯；對比工況2，3，4和工況5可知，墩底剪力呈減小趨勢，說明LRB支座位置對FPB-LRB隔震橋梁減隔震效果影響較大；當(dāng)隔震支座滯回位移相等時，隔震支座提供的阻尼力越大，則隔震效果越明顯，工況4中2號墩只設(shè)置了FPB支座，阻尼力由滑動摩擦力提供，而3#墩設(shè)置了FPB支座，阻尼力由橡膠粘滯阻尼力和橡膠與鉛芯的彈塑性變形提供，阻尼力較大，故3#墩底剪力最小，2號和3號剪力值相差較大，不利于橋梁抗震；而工況5中，2號和3號橋墩都設(shè)置有LRB支座，阻尼力較均勻，兩橋墩墩底剪力都較小，且剪力值相差較小，此時LRB支座位置較優(yōu)。

為定量分析LRB支座位置對FPB-LRB隔震橋梁的減隔震影響，本文引進(jìn)隔震率的概念，用隔震率來定量分析LRB支座不同位置的隔震效果。隔震率λ的表達(dá)式為：

(4)

式中:M1表示工況1中墩底彎矩；Mi表示工況i中的墩底彎矩。

限于篇幅，將多遇地震作用下的隔震率列于表3，其余圖7所示。

表3 多遇地震作用下的隔震率Table 3 Seismic isolation rate under the action of multiple earthquakes

分析表3和圖7，LRB支座全部安放在3#墩時，對3號墩具有顯著的隔震效果，但同時對2#墩隔震效果較差，地震時，大部分的力由2號墩承擔(dān)，不利于橋梁抗震。將LRB支座在2號墩和3號墩上各設(shè)置一個，隔震效果良好，對2#墩和3#墩的隔震效果都顯著增加。在工況5下，兩主墩的隔震率都達(dá)到了60%以上。由此可知，F(xiàn)PB-LRB隔震橋梁隔震效果比FPB隔震橋梁隔震效果更好，而且LRB支座位置對FPB-LRB隔震效果影響較大，LRB支座分開設(shè)置且靠近制動墩時，其隔震效果最突出。

3.2 LRB參數(shù)影響分析

在隔震效果最優(yōu)的LRB支座布置情況下，進(jìn)一步研究LRB支座含鉛量對FPB-LRB隔震橋梁的隔震影響。LRB支座含鉛量可以用LRB滯回模型中的屈服荷載來間接的表示，根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，屈服荷載應(yīng)滿足0.03 WQd0.1 W的要求，W為支座承受的長期垂直荷載，在支座上現(xiàn)取屈服荷載分別等于0.03，0.05，0.07，0.09和0.1 W進(jìn)行建模分析，現(xiàn)將基本設(shè)防烈度作用下2#橋墩墩底剪力、彎矩和主梁位移結(jié)果列于表4。

(a)多遇地震烈度;(b)基本設(shè)防烈度;(c)罕遇地震烈度圖7 不同烈度作用隔震率對比Fig.6 Comparison of seismic isolation rate of different intensity

Table 4 Results of analysis under the action of basic fortification intensity

工況位移/mm)剪力/kN彎矩/kN*m隔震率/%0.03W149.5115088.476040.348.3150.05W139.0374882.377511.347.3150.07W134.2354879.777675.947.2030.09W131.8404900.377848.647.0850.10W130.6684938.878233.846.824

從表4可以看出，在FPB-LRB隔震橋梁中，在LRB支座布設(shè)較優(yōu)的情況下，改變LRB支座的含鉛量對橋梁的減隔震影響較小，考慮隔震措施的經(jīng)濟(jì)性，鉛芯屈服荷載益取0.03 W。

4 結(jié)論

1) 連續(xù)梁橋抗震分析中，布設(shè)FPB隔震支座比布設(shè)盆式橡膠支座具有更好的隔震效果，有利于橋梁抗震。

2) FPB-LRB聯(lián)合減隔震連續(xù)梁橋中，將LRB布設(shè)在邊墩上與其他布設(shè)方式相比，對橋梁的抗震影響不顯著。

3) 將LRB支座只布設(shè)在制動墩的臨墩上，相比布設(shè)在邊墩上，對主墩有較好的減震效果，且對布設(shè)有LRB支座的橋墩減隔震效果最好，這使得兩主墩的受力不平衡，不利于橋梁抗震。

4) 將LRB支座分開布設(shè)在兩主墩上，各墩受力更加合理，充分利用了各個橋墩的抗震能力，達(dá)到了較好的效果。

5) LRB支座含鉛量對FPB-LRB支座影響并不顯著，其它參數(shù)的影響應(yīng)做進(jìn)一步的研究。

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Study on the performance of FPB-LRB combined isolation

ZHANG Bing1， SONG Shuai1， QIAN Yousheng2，LIU Yanxiu3

(1.School of Civil Engineering and Transportation of Liaoning Technical University, Fuxin 12300， China;2.Civil Engineering College of Guizhou University,Guiyang 550025， China;3. International Engcneering Consulting Center of Liaoning Prorinee， Shenyang 110000, China)

FPB support and LRB support are bearing more popularity at present, of which each has its unique advantages and disadvantages. With the aid of a combined 3 span prestressed concrete box girder bridge, the combined effects of FPB-LRB were discussed. The nonlinear process analysis method was used to analyze the influence of different LRB bearings layout position of FPB-LRB isolated bridges, and only laid FPB supports were compared. The results show that the FPB-LRB isolates bridges with FPB isolated bridges with better isolation performance, proper layout of LRB support position can further improve the FPB-LRB isolation of bridge damping ratio.

FPB bearing; LRB bearing; combined action; layout position; isolation rate

2016-01-02

國家安監(jiān)總局資助項目(05-05-079)；遼寧省教育廳資助項目(L2011048)

張彬(1960-)，男，遼寧丹東人，教授，博士,從事橋梁與隧道研究；E-mail：zhangbin3351888@163.com

U442.55

A

1672-7029(2016)11-2243-06