板式橡胶支座地震易损性分析.pdf

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1、书书书第 卷第 期 年 月湖南大学学报（自 然 科 学 版）（），文章编号：（）板式橡胶支座地震易损性分析李立峰，吴文朋，黄佳梅，王连华（湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 ）摘要：以一中等跨径连续梁桥为研究对象，建立了橡胶支座的滞回特性曲线以及全桥非线性动力分析模型 从太平洋地震工程研究中心（）强震数据库中选取 条地震波，进行了一系列非线性时程分析，得到了橡胶支座的位移反应根据基于性能的抗震设计思想和地震易损性分析理论，提出了板式橡胶支座种不同损伤状态损伤指标的确定方法，并由此拟合了谱加速度与支座相对位移延性比之间的关系基于传统可靠度概率方法，建立了橡胶支座的易损性曲线分析结果表明，支座在地

2、震作用下的易损性较其他构件更严重，且桥台支座比桥墩支座更容易遭受损坏；增加支座橡胶层厚度或改用聚四氟乙烯滑板支座能很好地改善桥台支座的抗震性能关键词：桥梁；板式橡胶支座；地震；易损性；地震破坏中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（）；中央高校基本科研业务费资助项目（）；湖南省科技计划资助项目（）作者简介：李立峰（），男，湖南沅江人，湖南大学教授通讯联系人，：湖南大学学报（自然科学版）年板式橡胶支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要构件，主要起到传递上部结构反力和承受水平变形的作用，以其造价经济、构造简单、受力合理等优点，在桥梁工程中得到广泛的

3、应用，特别适合于中小跨径梁式桥 地震反应中，板式橡胶支座可以起到延长结构周期、增加结构阻尼的作用，从而可以有效地减小桥墩所受的地震荷载、达到满足桥梁隔震的要求，因此在桥梁隔震设计方面也应用广泛 但国内外很多学者研究表明，梁式桥采用这种支座时地震变形主要集中在支座位置，导致梁体与墩、台之间相对位移过大、支座极易遭受破坏 近几年的多次大地震震害调查也进一步显示橡胶支座遭受地震破坏的现象十分普遍 城市桥梁抗震设计规范（征求意见稿）中提出的桥梁抗震体系之一就是利用支座等连接构件的耗能来使上部结构、桥墩和基础处于弹性状态，对桥梁支座的抗震性能提出了更高的要求基于此，为了详细研究橡胶支座的抗震性能，本文以

4、某实际桥梁为工程背景，在考虑橡胶支座受力特性的基础上，建立了精确的非线性动力分析模型；以基于性能的抗震设计思想为指导，提出了一种基于位移破坏准则的橡胶支座损伤指标确定方法，采用传统可靠度概率分析方法，分析支座变形需求与能力之间的关系，形成了橡胶支座在不同损伤状态下的易损性曲线，从易损性的角度对橡胶支座的抗震性能进行评估橡胶支座受力特性桥梁减隔震设计的要求不同，选用的支座类型也会不一样，不同类型的支座在地震作用下表现出不同的受力特性 由于支座水平刚度对桥梁主体结构地震响应影响较大，且本文主要采用纵向地震波输入方法，研究桥梁结构沿纵桥向的地震易损性，故这里主要讨论橡胶支座水平方向的力学性能 板式橡

5、胶支座大量试验结果表明，板式橡胶支座叠层橡胶内部的薄钢板对橡胶横向变形的约束作用，能大大提高支座的竖向刚度，但并不影响橡胶层的剪切变形刚度，其剪力位移滞回曲线呈狭长形，可近似作线性处理，如图所示 本文不考虑板式橡胶支座与墩顶或梁底之间可能产生的滑动（）（）式中：为支座剪切力；为支座的相对位移；为支座的 剪 切刚度，按最 新 公路 桥 梁 抗 震 设 计 细则的规定计算图板式橡胶支座线性模型 聚四氟滑板橡胶支座聚四氟滑板橡胶支座是以聚四氟乙烯板和不锈钢板作为支座的相对滑动面来隔离墩台与梁底，从而减小下部结构的地震响应，达到隔震的目的 这种支座已经在桥梁工程中使用了 多年，国内外学者对其摩擦因数和

6、滞回性能做了大量试验研究，研究表明聚四氟乙烯板与不锈钢板之间的摩擦系数通常低于 ，涂有润滑剂时约为 本文使用恢复力模型如图所示图滑板支座恢复力模型 （）式中：为临界摩擦力；为滑动摩擦因数；为支座承受的压力；图中为临界位移，表示支座橡胶层的最大剪切变形；为支座剪切刚度，本文中按计算板式橡胶支座剪切刚度的方法计算橡胶支座损伤指标的确定叠层橡胶支座的橡胶层在地震作用下表现出很好的柔性，能产生一定的剪切变形，起到延长结构周期和耗能的作用 然而，过大的剪切变形会导致支座发生剪切破坏，普通橡胶材料的剪切破坏应变可达 ，从安全性考虑，支座的容许剪切应变需计入安全系数，按下式计算：（）式中：为地震作用下容许的

7、最大支座相对位移；为容许剪切应变，根据内力组合形式不同取不同的值，正常使用状态，中小地震时 ，大地震时 ；为支座橡胶层的第 期李立峰等：板式橡胶支座地震易损性分析总厚度中国抗震规范明确规定板式橡胶支座在不同水平地震作用下需要进行支座厚度的验算：（）式中：为支座在不同作用效应组合下的相对位移；为橡胶片剪切角正切值，取 中国抗震规范还规定了不同水平的地震作用下橡胶型减隔震支座的延性水平：在 地震作用下产生的剪切应变应小于 ；在 地震作用下产生的剪切应变应小于 基于性能抗震设计方法强调结构在不同强度水平的地震作用下应该有不同的性能目标，对应不同的损伤状态本文根据中国规范对地震作用下支座允许相对位移的

8、具体规定，并参考国外一些规范规定和桥墩变形破坏准则，用相对位移延性比定义了板式橡胶支座的种损伤状态支座相对位移延性比的定义：各极限状态支座允许相对位移与剪切应变等于 时的支座相对位移之比板式橡胶支座各损伤状态的描述及其相对位移延性比判别准则见表表支座损伤状态相对位移延性比 序号 损伤状态状态描述损伤指标无损伤支座相对位移较小，容许剪切应变小于 中等损伤支座相对位移较大，容许剪切应变小于 严重损伤支座相对位移很大，容许剪切应变小于 完全破坏容许剪切应变大于 ，支座失效注：为支座在地震作用下的相对位移延性比；为支座剪切应变等于 时的相对位移延性比，故通常取；为支座剪切应变等于 时的相对位移延性比；

9、为支座剪切应变等于 时的相对位移延性比一般而言，地震作用下支座的位移响应可以用支座上下表面之间的相对位移来表示，则支座相对位移延性比定义支座的损伤状态用下式表示：（）式中：为地震作用下支座最大相对位移；为支座剪切应变等于 时的相对位移支座易损性曲线 算例某多跨混凝土连续梁桥，跨径布置（见图），墩高，主梁采用 混凝土，主墩采用 混凝土，截面形式为 的实心混凝土方柱，纵向钢筋和箍筋都采用 钢筋，纵向配筋率为，配箍率 全桥均采用板式橡胶支座：桥台 ，橡胶层厚度；桥墩 ，橡胶层厚度 地质条件为类场地图桥梁结构示意图（单位：）（：）计算模型采用 软件建立桥梁有限元动力分析模型并对结构进行非线性时程分析桥

10、台和桥墩支座的水平剪切刚度按抗震规范计算为 ，在地震作用下上部结构进入塑性的可能性较小，实际震害调查分析也发现主梁基本不会被破坏，故主梁采用弹性梁单元模拟墩柱由于要承受巨大的地震力，抗震规范中允许桥墩在强震作用下形成塑性铰，故墩柱采用弹塑性纤维梁柱单元模拟 地震波输入通常采用传统可靠度概率分析方法得出结构的易损性曲线，需要进行大量的非线性时程分析 选取合适的地震波是保证非线性时程分析准确性的前提，峰值加速度、频谱特性和持续时间是地震波的三要素本文根据桥梁场地类型条件，排除近场地震记录高能量速度脉冲的影响，从美国太平洋地震工程研究中心（）强震数据库中选取了 条地震波 选波时使 的分布尽量广泛，条

11、地震波的 分布如图所示，条地震波的反应谱图如图所示 图 条地震波的 分布 湖南大学学报（自然科学版）年周期图 条地震波的反应谱图（）板式橡胶支座易损性分析 易损性原理结构的地震易损性是指在可能遭受的各种强度地震作用下，结构发生某种程度破坏的概率，可用下式表示：（）式中：为地震动参数（）；为结构或构件能力（）；为结构或构件损伤指标，对应结构或构件需求（，）桥梁工程中常用易损性曲线来描述结构在地震作用下的易损性易损性曲线通常以地震动强度指标为横坐标，以结构反应超过规定损伤状态的概率为纵坐标桥墩易损性不是本文的研究重点，因此下文中主要介绍支座易损性曲线的形成过程，并直接给出墩柱易损性曲线 支座易损性

12、曲线根据 等，等，的研究，地震作用下结构需求概率分布可以用对数正态分布函数表示：（珘，）（）式中：珘为支座变形需求的平均值；为支座变形需求的对数标准差，它们都可以通过结构地震响应结果的回归分析得到 研究表明，采用结构基本周期对应的谱加速度 作为地震动参数时，回归分析结果较好，故本文采用 作自变量经过一系列非线性时程分析后取各支座位移延性比和谱加速度 进行对数回归分析，回归结果如图所示由图可知，支座地震变形需求可分别用以下两式表示：墩支座：（）（），（）台支座：（）（）（）与支座变形需求相对应，支座剪切变形能力的概率分布也可以用一个对数正态分布函数表示：（珘，）（）式中：珘为支座剪切变形能力的平

13、均值；为支座剪切变形能力的对数标准差支座剪切变形能力平均值可取上一节中确定的支座各损伤状态的相对位移延性比来表示，如表所示（）（）桥墩支座（）（）桥台支座图支座位移延性比对数回归分析 表位移延性比对应的支座能力平均值 位移延性比支座变形能力平均值 支座变形需求超过变形能力的概率函数可用传统可靠度理论方法来建立：（）（）（）（）由于支座变形需求和变形能力的概率分布均服从对数正态分布，可进一步转化为标准正态分布形式：（珘珘）槡（）（）式（）（）联合式（）（）可得墩、台支座在不同损伤状态的失效概率为：（）珘）槡（），（）（）珘）槡（）（）第 期李立峰等：板式橡胶支座地震易损性分析根据文献 ，以谱加速

14、度 作为自变量时，可取槡，相应不同破坏状态的珘取表中的能力均值 由式（）（）可计算墩、台支座在不同损伤状态的超越概率以往的研究在确定墩柱损伤指标时常定义成种损伤状态，为便于后文的分析，本文对于墩柱的损伤状态分别降低一个级别再与支座比较 种损伤状态下支座和桥墩的易损性曲线比较见图谱加速度（）中等损伤状态的比较谱加速度（）严重损伤状态的比较谱加速度（）完全破坏状态的比较图支座桥墩易损性曲线比较 由图可知，墩柱和支座在不同损伤状态下发生损伤的概率都随谱加速度 的增加而增大；在 时，桥墩和桥墩支座中等损伤概率都很低，几乎都不会发生严重损伤和完全破坏；但是桥台支座中等损伤和严重损伤的概率却很高，完全破坏

15、的概率达，表明该桥台支座的设计不甚合理分析其原因：首先，该桥桥台支座设计得比桥墩支座要矮小，其相对位移延性能力亦较小；其次，该桥墩柱较柔，地震作用下墩柱和支座共同承担地震力，柔性墩的变形消耗了部分能量，墩顶支座相对位移较小，而结构建模时假定桥台完全刚性，导致桥台处支座相对位移较大分析结果表明，在不同强度地震作用下，板式橡胶支座比桥墩构件更容易损伤；桥台的延性比桥墩小得多，桥台处支座比桥墩支座更容易破坏，与文献 中的结论相吻合 桥台支座优化方案针对桥台支座更容易破坏的特点，提出以下种优化方案方案增加桥台支座高度 新西兰的 桥在 年的 地震中，受到 的地震冲击，桥台支座由于环形约束有效高度过小而失

16、效，造成中等程度的损坏 可见桥台处支座高度不足是导致桥台支座更容易破坏的原因之一 在前面分析模型的基础上，保持其他条件不变，增加桥台支座的高度为桥墩支座的 倍，橡胶层厚度变为 ，则其延性能力亦为墩柱支座的 倍输入相同的 条地震波进行分析后得到支座的易损性曲线，并与原方案支座易损性曲线比较，如图所示谱加速度 图不同高度桥台支座易损性曲线比较 由图可知，增加桥台支座高度后，桥台支座在各损伤状态下发生损伤的概率明显降低，在谱加速度 时，中等损伤概率降至，严重损伤和完全破坏的概率降至 以下可见，在保证支座承载能力的情况下，适当增大桥台处支座的尺寸及其高度，是提高支座延性、改善支座抗震性能的有效途径方案

17、采用聚四氟乙烯滑板支座 尽管增高桥台支座能够很好地改善支座的抗震性能，但过分地增加支座高度不但会增加桥梁的造价，还可能导致支座失稳的问题 针对桥台处支座位移需求大的湖南大学学报（自然科学版）年特点，可以在桥台处采用位移能力更大的聚四氟乙烯滑板支座在前面分析模型的基础上，保持其他条件不变，桥台支座改用聚四氟滑板橡胶支座 ，橡胶层厚度 本文中取支座与梁底和台帽之间的摩擦因数 ，桥台支座受竖向压力为 ，故支座屈服力为 ，对应的屈服位移为 根据文献 的规定，该滑板支座纵向位移量为 ，则该聚四氟乙烯滑板支座中等损伤状态的位移能力平均值为（）滑板支座在大震作用下可以滑动，其破坏状态还与其他因素（碰撞、台帽

18、尺寸等）有关，由于篇幅所限，本文不再讨论其他几种损伤状态 输入相同的 条地震波进行分析后，可得桥台支座中等损伤状态易损性曲线，并与前种方案比较，如图所示谱加速度 图桥台支座中等损伤各方案易损性曲线比较 由图可知，在桥台使用聚四氟乙烯滑板支座以后，支座损伤概率也明显下降，在 时支座损伤概率降低了 左右，与增高桥台支座的效果相当结论根据板式橡胶支座的受力特性，建立了一座连续梁桥的动力分析模型并进行非线性时程分析，采用传统可靠度概率分析方法形成了支座的易损性曲线 本文主要得到以下结论：）基于位移破坏准则，提出了一种板式橡胶支座损伤指标的确定方法，分析结果表明该方法实用可行）采用板式橡胶支座的连续梁桥

19、，支座比桥墩更容易遭受地震破坏，且桥台支座比桥墩支座更易破坏，在桥梁抗震设计中应引起重视）桥台支座在地震作用下位移响应较大，增加支座的高度或采用聚四氟乙烯滑板支座都是改善支座抗震性能的有效途径参考文献李建中，廖元裳，王克丽 桥梁的减震设计与分析桥梁建设，（）：，（）：（）谢旭桥梁结构地震响应分析与抗震设计北京：人民交通出版社，：，：（），：，叶爱君，胡世德，范立础 桥梁支座抗震性能的模拟分析 同济大学学报，（）：，（）：（）范立础 桥梁抗震 上海：同济大学出版社，：，：（）中华人民共和国交通部 公路桥梁抗震设计细则北京：人民交通出版社，：，（），（）：，（）：，：，范立础，王志强桥梁减隔震设计北京：人民交通出版社，：，：，：（），：，：中华人民共和国交通部 公路桥梁板式橡胶支座规格系列北京：人民交通出版社，：，（）