基于有限元分析的減隔震裝置橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能研究

基于有限元分析的減隔震裝置橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能研究

近年來(lái)，新的橋梁保護(hù)體系技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，如鉛芯橡膠支架、高耐橡膠支架、滑動(dòng)分支等。其中,鉛芯橡膠支座作為一種減隔震支座得到了廣泛的研究。目前來(lái)說(shuō),考慮減隔震支座和橋墩的相互作用來(lái)設(shè)計(jì)減隔震支座還比較困難。傳統(tǒng)的非彈性設(shè)計(jì)方法僅僅考慮了結(jié)構(gòu)(橋墩)本身,對(duì)減隔震橋梁而言,橋墩和支座之間的地震能量分配是一個(gè)突出的問(wèn)題,為此首先必須了解不同減隔震支座對(duì)橋梁抗震性能的影響。筆者采用非線性動(dòng)力分析程序研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)減隔震橋梁抗震性能的影響。1種地震反應(yīng)分析模型的建立對(duì)典型的普通鐵路簡(jiǎn)支梁橋,上部結(jié)構(gòu)通常為T型梁,筆者采用24m梁橋作為分析模型,其截面參數(shù)可參見(jiàn)叁標(biāo)橋2019。在分析中不考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用的影響,在實(shí)際建立簡(jiǎn)支梁橋地震反應(yīng)分析有限元模型時(shí),主要采用了兩類單元:非線性梁柱單元和非線性連接單元。為研究減震支座的減震性能,僅考慮了固定支座和設(shè)置減隔震支座橋墩的動(dòng)力響應(yīng)。在地震作用下,支座的水平剛度對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)影響較大,因而在地震反應(yīng)分析中,根據(jù)支座的特點(diǎn)選取適當(dāng)?shù)幕謴?fù)力模型來(lái)確定支座在水平方向的剛度。根據(jù)橡膠支座的實(shí)驗(yàn)分析,本文中板式橡膠支座和鉛芯橡膠支座分別采用直線型和雙線性模型。對(duì)梁?jiǎn)卧捎昧薚akeda三線性模型,建立了考慮材料非線性的單桿件彈塑性剛度矩陣,在動(dòng)力分析中采用了Wilson-θ法,延性系數(shù)采用轉(zhuǎn)角延性比。2ark式地震波本文在實(shí)際分析過(guò)程中采用了一類場(chǎng)地10條地震波(SanFernandoS16E、HelenaMontanaN00E、W.WashingtonS04E、SanFranciscoN81E、ParkfieldCalifS65W、SanFernandoN52W、N50W、S00W、S62E、N00E)和三類場(chǎng)地10條地震波(ImperialValleyS90W、LongBeachS82E、SanJoseN59E、BorregoMtS00W、SanFernandoS00W、SanFemandoS61E、ImperialValleyE、Torrance-GardenaE、ImperialCountyN)。上部結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為:梁體截面面積為2.18m2,楊氏模量為2.5×1010N/m2,慣性矩為1.368m4,材料密度為4.59×103kg/m3。2.1種場(chǎng)地的特性對(duì)墩高為10m的24m跨簡(jiǎn)支梁橋來(lái)說(shuō),筆者采用的板式橡膠支座(RB)尺寸為300mm×300mm×52mm,鉛芯橡膠支座(LRB)采用在RB中壓入鉛芯。對(duì)板式橡膠支座,其剛度值為2.432×103kN/m,對(duì)鉛芯尺寸為Φ60的鉛芯橡膠支座,其初始剛度值K1和屈服后剛度值K2分別為3.273×103和3.568×104kN/m。減震率=(減、隔震支座的墩頂?shù)淖畲笪灰?普通支座的墩頂最大位移)/普通支座的墩頂最大位移減隔震設(shè)計(jì)的目的是使地震作用下大部分能量集中于減隔震裝置,而降低下部結(jié)構(gòu)所承受的慣性力和延性需求。從圖1和表1、2可以看出,對(duì)一類場(chǎng)地來(lái)說(shuō),采用鉛芯橡膠支座后,墩頂位移明顯改善,對(duì)1、5、9號(hào)波梁體位移有一定的放大,但整體上還是保持在合理的范圍內(nèi)。對(duì)三類場(chǎng)地,4、9號(hào)波的墩頂位移發(fā)生了放大,2、4、8、9號(hào)波作用下,梁體位移發(fā)生了放大。對(duì)板式橡膠支座,其減震性相對(duì)鉛芯橡膠支座要差得多。一類場(chǎng)地的1、5、7、9、10號(hào)波,三類場(chǎng)地的2、4、6、7、8、9號(hào)波,墩頂位移都發(fā)生了放大,其中一類場(chǎng)地的1、7、9和三類場(chǎng)地的2、6、9還發(fā)生了顯著的漂移(圖1)。由此可見(jiàn)普通板式支座雖然能夠延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期,隔離上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài),但是相對(duì)鉛芯支座而言,由于幾乎沒(méi)有滯回耗能的功能,其減震機(jī)理只是單純地阻斷地震力的傳播路徑,抑制結(jié)構(gòu)的前幾階頻率的響應(yīng),并沒(méi)有根本改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,因此減震性能并不理想。它無(wú)法控制梁體的位移,其本身變位也達(dá)到了不可接受的程度,實(shí)際在地震波(如三類場(chǎng)地的第4、6、9號(hào)波)作用下梁的最大位移已經(jīng)使支座達(dá)到了破壞的程度。由于普通板式支座的剛度不隨變位變化,其正常使用性能就不如鉛芯支座好。鉛芯支座雖然初始剛度較大,但是大震時(shí)能靠它的低剛度減小墩頂位移,且由于其具有滯回耗能特性,能增大結(jié)構(gòu)阻尼,把梁體位移控制在可以接受的范圍內(nèi),更為重要的是鉛芯橡膠支座的高阻尼可以避免與上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。阻尼改變了結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性,由實(shí)模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)模態(tài),復(fù)模態(tài)的激振相位和激振點(diǎn)隨時(shí)間不斷變化,使共振難以發(fā)生,橋梁的抗震性能得到了明顯改善。通過(guò)計(jì)算兩類場(chǎng)地的減震率可以發(fā)現(xiàn),三類場(chǎng)地有6條波的減震率低于50%,只有一條波在70%以上,而一類場(chǎng)地只有二條波的減震率在50%以下,有三條波的減震率高于70%;三類場(chǎng)地的減震性要較一類場(chǎng)地要差一些。此外,對(duì)減震性能不太好的一類場(chǎng)地的第7、9號(hào)波和三類場(chǎng)地的第2、4、6、7、9號(hào)波,通過(guò)頻譜分析可以發(fā)現(xiàn),均為比較典型的低頻脈沖型地震波,因此,對(duì)易發(fā)生脈沖型地震的場(chǎng)地,使用減、隔震技術(shù)的結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)應(yīng)慎重。2.2種場(chǎng)地的衰減性能為考慮在不同地震烈度作用下的減、隔震性能,筆者采用了8度和9度兩種情況下的地震波,進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析。從圖2可見(jiàn):對(duì)鉛芯橡膠支座,在8度和9度地震波作用下,墩頂位移減震率基本上保持一致的減震性能。對(duì)隔震前后的梁體位移比(圖3),采用板式和鉛芯支座在8度和9度烈度下,兩者的位移比變化趨勢(shì)基本上是一致的,但采用鉛芯支座的梁體位移能保持在較好的范圍內(nèi)。同時(shí)可以看出(圖2、3),三類場(chǎng)地的減震性能相對(duì)一類場(chǎng)地要差一些。總體而言,鉛芯支座的減震性能要明顯強(qiáng)于普通板式支座。從圖4可見(jiàn)(圖中實(shí)線代表一類場(chǎng)地,虛線代表三類場(chǎng)地),采用鉛芯橡膠支座后,結(jié)構(gòu)在不同烈度的地震波作用下,其墩底彎矩比變化差異很大,總的趨勢(shì)是9度的彎矩比要高于8度的值。一類場(chǎng)地的第1、3、6、7、8、10條波,三類場(chǎng)地的第1、5、6、7、10條波,由于8、9度時(shí)采用普通支座的結(jié)構(gòu)都已經(jīng)進(jìn)入(或接近)屈服,所以彎矩比變化較大。一類的第2、4、5、9條波,三類場(chǎng)地的第8條波,由于8度下結(jié)構(gòu)均未屈服,且8度彎矩值較小,所以彎矩比在8、9度下基本一致,這說(shuō)明如果非隔震時(shí)結(jié)構(gòu)未屈服,地震烈度增大后,不論是采用減震支座還是采用普通支座,結(jié)構(gòu)的彎矩都呈現(xiàn)同步增大的現(xiàn)象。由于三類場(chǎng)地的2、3、4、9在8度時(shí)彎矩值已經(jīng)很大,在9度作用下明顯屈服了,所以其彎矩比變化也較大。產(chǎn)生以上原因是由于結(jié)構(gòu)在普通延性抗震時(shí),當(dāng)發(fā)生屈服后其剛度顯著下降,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗力降低,所以隨位移增大,內(nèi)力響應(yīng)增大的幅度減小;而采用鉛芯橡膠支座后的結(jié)構(gòu)由于未屈服,所以其抗力仍然是隨著位移增大而線性的增大,內(nèi)力響應(yīng)增大較多,由此可見(jiàn),采用位移來(lái)衡量鉛芯橡膠支座的減震效果相對(duì)要好一些。2.3鉛芯初始剛度對(duì)減隔震性能的影響為考察鉛芯橡膠支座參數(shù)變化對(duì)橋梁減震性能的影響,筆者采用了5種鉛芯:Φ30、40、50、60、70mm和9度地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力分析,其具體參數(shù)變化見(jiàn)表3,其它結(jié)構(gòu)參數(shù)同前。在不同地震波作用下,變化鉛芯直徑后,其墩頂加速度與采用普通支座時(shí)的比值見(jiàn)圖5。從圖5可見(jiàn),隨著鉛芯支座中鉛芯直徑的增大,減震效果非常明顯。這主要是由于隨著鉛芯直徑的增大,支座的滯回耗能能力隨之增大(圖6),提供的阻尼增大。隔震前后的梁體位移比(圖7)顯示,隨著鉛芯的增大,梁體位移顯著降低,但是在鉛芯為60mm和70mm的梁體位移比變化已經(jīng)很小了。為了限制結(jié)構(gòu)地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)值,減隔震體系應(yīng)當(dāng)具有良好的耗能性能。如果鉛芯橡膠支座的初始剛度太小或者是屈服力太小,減隔震裝置象一個(gè)線性彈簧一樣,其剛度接近隔震體系的屈服后剛度。同時(shí),如果屈服力太低,減震裝置在正常使用荷載作用下,就會(huì)發(fā)生屈服,且減震裝置的初始剛度太低,結(jié)構(gòu)的基本周期有可能會(huì)落在風(fēng)荷載可能引起共振的范圍內(nèi),最終使鉛芯支座發(fā)生屈服,所以當(dāng)鉛芯較小時(shí),減震性能如同板式支座一樣,并不理想。相反,如果鉛芯支座的屈服強(qiáng)度太大,隔震體系的剛度就象一個(gè)剛度等于初始剛度的線性彈簧,不利于延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期,降低結(jié)構(gòu)的響應(yīng),體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的響應(yīng)降低的幅度隨鉛芯直徑的增大而降低。雖然隔震后橋梁結(jié)構(gòu)墩頂加速度和墩底內(nèi)力遠(yuǎn)小于隔震前的情況,但隔震后整個(gè)橋梁將會(huì)有較大的梁體位移,當(dāng)梁縫間距較小時(shí)可能會(huì)引起相鄰梁之間的碰撞甚至落梁,為此可以采用提高結(jié)構(gòu)減隔震支座的水平剪切剛度,但是同時(shí)可以明顯發(fā)現(xiàn)(圖5),隨著鉛芯的增大墩頂加速值是先降低,然后又有所增大,說(shuō)明不可一味追求增大鉛芯直徑。因此,鉛芯截面尺寸存在優(yōu)選的問(wèn)題,在保證有較好的減震性能前提下,盡可能選取截面較大的鉛芯,減小了梁體的位移,起到防止落梁和減小伸縮變形的作用。2.4結(jié)構(gòu)自振特性的對(duì)比取一類場(chǎng)地的第1、4、8和三類3、4、10條波,鉛芯尺寸為60mm,橋墩截面尺寸為3m×0.9m～3m×1.4m,墩高10m,上部結(jié)構(gòu)參數(shù)同前,橋墩的具體參數(shù)見(jiàn)表4。從計(jì)算結(jié)果圖8中可見(jiàn),一類場(chǎng)地的第1、8號(hào)波,隨著剛度的增大,減震效果反而降低,三類場(chǎng)地的第4號(hào)波出現(xiàn)了放大的情況;一類場(chǎng)地的第4號(hào)波三類場(chǎng)地的第3號(hào)波隨著剛度增大其減震性變化比較復(fù)雜,但是總體來(lái)說(shuō)增大的幅度不大。梁體位移比(圖9)在一類場(chǎng)地的第4、三類的第3號(hào)波下,雖然隨剛度增大有所降低,但不明顯,而兩類場(chǎng)地其余四條波,基本上是隨著橋墩剛度增大而增大;另外板式支座和鉛芯支座的變化趨勢(shì)是比較一致的。這主要是增大截面剛度后,結(jié)構(gòu)的自振頻率增大(本例由1.1變?yōu)?.1Hz),采用減隔震支座后,結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)隨之增大,體系的一階頻率體現(xiàn)為主要是梁體的平動(dòng),因此增大橋墩截面對(duì)限制梁體位移不利。彎矩比(圖10)對(duì)一類場(chǎng)地的第1、8號(hào)波來(lái)說(shuō),隨剛度增大而增大,對(duì)第4號(hào)波是降低的;對(duì)三類場(chǎng)地則比較復(fù)雜,對(duì)鉛芯支座來(lái)說(shuō)總體上是有所增大的,且板式支座與鉛芯支座的變化趨勢(shì)有較大差別,其規(guī)律性不強(qiáng)。采用板式橡膠支座的橋梁,其墩頂位移、梁體位移比以及彎矩比在兩類場(chǎng)地都高于鉛芯橡膠支座,顯示了在不同截面剛度的情況下,鉛芯支座的良好減震性?？梢?jiàn),對(duì)于不同的地震波,結(jié)構(gòu)的反應(yīng)有很大的區(qū)別,隨橋墩剛度的變化規(guī)律也不同,因而鉛芯支座的減震性能也不同。這主要是:不同的地震波由于卓越周期的不同,反映到結(jié)構(gòu)響應(yīng)上也就體現(xiàn)為不同自振特性的結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的差別;此外,對(duì)采用延性抗震的普通支座橋梁,橋墩的位移值受截面剛度增大的影響很大,其位移變化的幅度要大一些,而采用鉛芯橡膠支座的橋墩,其墩頂位移變化幅度相對(duì)要低,因此在墩高、支座參數(shù)一定的情況下,增大截面剛度,并不一定能有效提高結(jié)構(gòu)的減震幅度。2.5高墩和大墩之間的耦合關(guān)系根據(jù)實(shí)際施工的需要,筆者在變化墩高的同時(shí)改變截面的尺寸,墩高變化范圍為6～40m,普通鐵路簡(jiǎn)支梁橋的頻率范圍為0.811～3.200Hz。原則上隔震支座應(yīng)該按實(shí)際墩高進(jìn)行設(shè)計(jì),但本節(jié)主要是通過(guò)墩高和截面變化來(lái)改變橋梁的基本周期,考察實(shí)際墩高和截面變化后結(jié)構(gòu)的減震性能,因此采用了相同的鉛芯橡膠支座。計(jì)算結(jié)果表明,隨著墩高的增大,墩頂位移明顯增大。在鉛芯橡膠支座下,兩類場(chǎng)地的位移比基本上都小于1,顯示了較好的減震性能,在普通板式橡膠支座下,減震性能有很大的變化。從圖11可見(jiàn),當(dāng)墩高大于24m后,減震率的變化幅度不大;對(duì)一類場(chǎng)地的7、三類場(chǎng)地的4、6波來(lái)說(shuō),可以看出在墩高為6～14m米范圍內(nèi)減震率較低,這主要是結(jié)構(gòu)的自振頻率較大,隔震后周期明顯延長(zhǎng),處于地震波的卓越頻率范圍內(nèi)所致,而對(duì)一類的第1條波則沒(méi)有這種現(xiàn)象。梁體位移比(圖12)隨墩高增大而降低,但在墩高24米后變化趨于平緩?？梢?jiàn)高墩時(shí)梁體的減震效果要明顯高于矮墩,增大墩的高度可以明顯改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,但當(dāng)墩高大于一定范圍后,則對(duì)梁體的減震幅度變化幾乎沒(méi)有太大的影響。從圖13可以看出,在橋墩截面不變的情況下,鉛芯橡膠支座的變形隨墩高的增大而減小,這主要是隨著墩高的增大,橋墩的剛度降低,結(jié)構(gòu)的周期增大,橋墩變形所占的比例隨之增高,隔震支座所占的比例降低,墩和支座的動(dòng)力相互作用增大;但是在墩高加大的同時(shí),截面增大后,變形可能會(huì)增大,說(shuō)明截面剛度對(duì)支座的變形有一定的影響,合理的選擇截面尺寸可以改善高墩下支座的減震性能。3減、隔震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)(1)與普通支座相比,鉛芯橡膠支座既能降低強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)的墩頂?shù)奈灰?又能降低梁體的位移;普通的板式支座在某些情況下也可以改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),但其減震性能明顯低于鉛芯橡膠支座。(2)地面運(yùn)動(dòng)輸入的頻譜成分對(duì)減震效果有很大的影響。在一類場(chǎng)地下的減震性能一般要高于三類場(chǎng)地,在三類場(chǎng)地下,板式橡膠支座和鉛芯橡膠支座都出現(xiàn)了放大現(xiàn)象,尤其是普通板式支座在某些三類地震波下,墩頂位移和墩底彎矩明顯放大,減震效果很不理想。鉛芯橡膠支座的減震機(jī)制為使結(jié)構(gòu)長(zhǎng)周期化,振型分離,阻尼耗能可以有效地限制共振的發(fā)生,因此其應(yīng)用范圍廣泛?？傮w而言,對(duì)低頻脈沖型地震波,進(jìn)行減、隔震要充分給予重視;進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)還應(yīng)將重點(diǎn)放在提高吸收能量能力,增大阻尼和分散地震力上,不可過(guò)分地追求延長(zhǎng)周期。(3)鉛芯橡膠支座和板式橡膠支座的減震性能在不同烈度(8度和9度)地震波作用下有較好的相似性能。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),采用墩頂位移作為衡量減震性能的參數(shù)更好一些。(4)改變鉛芯直徑對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能有很大的影響。在支座合理構(gòu)造范圍內(nèi),存在一個(gè)優(yōu)選值的問(wèn)題,過(guò)度地增大鉛芯直徑并不能取得良好的減震性能。(5)在墩高和上部結(jié)構(gòu)一定的情況下,對(duì)不同截面的橋墩