超高阻尼隔震橡胶支座

超高阻尼隔震橡胶支座（共3篇）

超高阻尼隔震橡胶支座 篇1

前言

汶川地震后, 国内对桥梁抗震安全格外重视, 颁布了新的桥梁抗震规范[1], 对桥梁抗震安全和抗震方法都进行了全面修订, 将桥梁按重要等级分别进行抗震安全设计, 体现了小震不坏、中震可修、大震不倒的设防思想。规范中增加了减隔震设计方法及验算要求的内容, 将桥梁减隔震技术作为一种抵抗地震技术方案主要方法之一。国内也已出现多种减隔震技术所需要的减隔震装置[2,2]。

橡胶支座是一种应用广泛的桥梁支撑, 它由加劲钢板和橡胶组成, 具备了结构简单、生产要求不高、价格低、安装维护方便的优点而使用最广。然而普通橡胶支座不满足高烈度震区桥梁的抗震需要。铅芯隔震橡胶支座由于在橡胶支座中加入了高纯度铅棒, 增大了支座的阻尼, 其阻尼比可达到0.18甚至更高, 具有良好而稳定的耗能能力, 在水平剪切变形时的力学模型呈双折线型, 是一款效果优良、性能稳定的结构减隔震技术产品, 因此在国内外均有大量的工程应用并取得了良好的效果, 经受了多次强震考验。最近20年, 国外兴起阻尼比为0.12的高阻尼橡胶支座, 现阶段已发展到阻尼比高达或超过0.18的超高阻尼橡胶支座, 并且已有具体的工程应用, 但公开发表对其性能研究的论文非常少[3,3]。

1 超高阻尼橡胶支座的力学性能要求

超高阻尼橡胶 (以下简称支座) 是在橡胶中加入助剂而提高了橡胶的阻尼耗能能力, 用超高阻尼橡胶生产的超高阻尼橡胶支座, 应当满足桥梁支座的基本力学性能要求:即支座等效水平刚度、等效阻尼比的变化率在±30%的范围以内, 水平极限变形能力达300%以上[4]。

另外应特别注意的是水平疲劳稳定性和低达-20℃的支座低温性能。桥梁结构中的隔震支座在使用寿命内, 可能会经受多次地震。每次地震作用, 隔震支座都会承受水平和竖向的反复循环荷载作用 (低周疲劳) , 各种条件下其等效水平刚度和等效阻尼系数的改变也会影响结构反应分析的准确性。

2 超高阻尼橡胶支座的力学模型

支座在水平力的作用下产生变形, 其力学模型可用双折线性模型模拟, 如图1所示, 实测滞回环曲线与图1非常接近。

3 实际工程的隔震分析

3.1 桥梁工程概况

桥梁实际工程, 4×30m由跨径30m的4跨预应力混凝土连续箱梁组成桥型图如图2所示:

3.2 有限元建模的建立

采用有限元程序Ansys对该大桥进行抗震计算, 采用空间梁单元beam188模拟预应力混凝土连续梁桥的主梁和桥墩;二期恒载采用集中质量单元mass21模拟;主梁与边墩之间的联结用combine39单元来模拟。对于非隔震结构, 墩与梁之间考虑板式橡胶支座, 采用铰接, 而桥台处考虑四氟板支座, 采用摩擦单元, 用非线性摩擦滑移单元combine39来模拟滑移支座。单元的起滑力为:

式中:µ为摩擦系数, NF为桥梁自重作用下支座的反力。

对于隔震结构考虑墩与梁之间纵桥向和横桥向隔震, 采用combine39单元来模拟高阻尼橡胶支座。

分析中边界条件为桩根部完全固定, 考虑的荷载包括桥梁自重以及桥纵向和横向水平地震作用。Ansys程序可自动计算桥梁结构的自重, 二期恒载包括桥面铺装层和护栏自重, 采用集中质量加在柱顶。

3.3 分析采用的地震波

在进行该桥梁的地震时程响应计算时, 依据公路工程抗震设计规范规定, 应采用多条地震波进行计算分析, 为便于比较, 现选用三条地震波进行分析, 分别为三条经调整与设计反应谱相容的El Centro波和Kobe波以及Taft波。经调整后的地震波输入到结构, 可减小结构的地震反应离散性, E1下地震波的加速度峰值为0.094g, E2下的加速度峰值为0.377g。

3.4 隔震参数

桥梁实际采用的支座布置及参数如下:

11和15号墩各采用2个OVMSHDR670×670×183G1.2支座, 剪切屈服力Qy=172kN, 一次刚度K1=9.2kN/mm, 屈服后的二次刚度K2=2.1kN/mm, 支座组装后的高度为233mm。

1 2、1 3和1 4号墩各采用2个OVMSHDR970×970×149G1.2支座, 剪切屈服力Qy=368kN, 一次刚度K1=26.2kN/mm, 屈服后的二次刚度K2=5.8kN/mm, 支座组装后的高度为205mm。

3.5 自振特性分析

采用子空间叠代法求解该桥的动力特性, 按照公路工程抗震设计规范规定, 结构分析中对应于振型的有效质量总和 (即振型参与质量) 要占总质量的90%以上, 故为了保证计算精度, 满足振型在各个方向的轴线参与质量之和达到要求, 对该桥梁共计算了50阶振动频率和振型。由于一般情况下结构前几阶自振频率和振型起控制作用, 限于篇幅, 只给出了该桥梁的非隔震和隔震的前10阶振动频率和时间, 振动频率和振动周期计算结果列于表1:

3.6 隔震结构抗震计算

分析计算中对结构的顺桥向和横桥向进行了抗震计算, 在地震作用下, 隔震支座进入非线性状态而耗能, 理论上反应谱法只适合于计算线性结构, 因此顺桥向和横桥向的地震反应计算也只能用时程分析法。限于篇幅, 现列出12号桥墩E2地震条件下的非隔震与隔震分析结果, El Centro波和Kobe波以及Taft波的的顺桥向桥墩底部弯矩隔震率0.90、0.90、0.89;横桥向桥墩底部弯矩隔震率0.92、0.92、0.90;顺桥向桥墩底部剪力隔震率0.90、0.89、0.89;横桥向桥墩底部剪力隔震率0.92、0.91、0.90;顺桥向单桩桩顶弯矩隔震率0.89、0.88、0.88;横桥向单桩桩顶弯矩隔震率0.64、0.63、0.56;顺桥向单桩桩顶剪力隔震率0.90、0.88、0.88;横桥向单桩桩顶剪力隔震率0.65、0.58、0.57。分析计算表明, 采用合适的超高阻尼隔震橡胶支座, 使得连续梁的自振周期从0.69秒延长至1.25秒。由于超高阻尼隔震橡胶支座的水平刚度较小, 隔震桥梁的地震位移反应集中在隔震支座上, 在E2地震的作用下, 使得地震水平力合理地分配在各个桥墩中, 减少了地震力集中的现象, 改善了结构的受力不均匀。

3.7 减隔震分析结论

(1) 在E1地震作用下, 顺桥向和横桥向隔震桥梁墩底弯矩和剪力的减震系数大部分在50%以上, 桩顶内力的减震系数大部分在30%以上, 隔震桥梁较非隔震桥梁的内力分布更加均匀, 保证桥梁安全运行。

(2) 在E2地震作用下, 对于非隔震结构, 桥墩底部内力分布极度不合理, 内力主要集中在12、13和14号墩上, 并且进入强烈塑性状态, 严重影响桥梁的运行, 甚至会导致桥梁的倒塌。

(3) 在E2地震作用下, 采用超高阻尼隔震橡胶支座的桥梁墩底的弯矩和剪力的减震系数最大可达92%, 避免了塑性铰的产生, 桩顶的内力减震系数最大可达91%, 保证桩基础的安全。

(4) 由于隔震支座的变形量较大, 应该正确地选择合适匹配的伸缩缝装置。

4 产品的生产与安装

生产工艺是保证产品性能的重要途径, 其中最主要的是超高阻尼橡胶的配方性能, 同时要保证产品的生产过程和质量控制要求与设计要求一致, 生产完成后进行成品测试, 测试结果符合上述要求。控制批量生产时应特别注意产品的质量及组装时的质量要求;橡胶支座的安装也是要求按规范进行, 特别注意安装的平整、密实, 保护不被机械擦伤。

参考文献

[1]公路桥梁抗震设计细则 (JTG/T B02-01-2008) [S].北京:人民交通出版社, 2008.

[2]庄军生.桥梁减震、隔震支座和装置[M].北京:中国铁道出版社, 2012.

[3]资道铭, 梁莹莹, 等.几种隔震橡胶支座性能研究及隔震效果探讨[J].广西工学院学报, 2012, 23 (23) .[1]公路桥梁抗震设计细则 (JTG/T B02-01-2008) [S].北京:人民交通出版社, 2008.

[2]庄军生.桥梁减震、隔震支座和装置[M].北京:中国铁道出版社, 2012.

[3]资道铭, 梁莹莹, 等.几种隔震橡胶支座性能研究及隔震效果探讨[J].广西工学院学报, 2012, 23 (23) .

超高阻尼隔震橡胶支座 篇2

本文作者根据曲线梁桥的特点, 利用两个正交的非线性水平弹簧来模拟HDR的双向非线性特性, 基于有限元计算软件midas civil, 对隔震与无隔震的曲线梁桥分别进行了三向地震动作用下的非线性时程分析, 并将结果进行了比较。

1 高阻尼隔震橡胶支座及分析模型

高阻尼橡胶材料 (HRD) 支座与普通橡胶材料支座在构造和外形上基本相似, 主要由橡胶与钢板叠合而成, 不同的是HDR采用特殊配置的橡胶材料制成, 如加入石墨以增大橡胶支座的阻尼, 阻尼比可达0.17, 使之滞回曲线更为饱满, 耗能能力更强。从以往的实验资料看, HDR的滞回曲线大多为椭圆形或月牙形, 在地震分析中较难完全应用这种曲线作为计算模型, 因此实际计算更多的是通过简化后的等效线性模型 (等效刚度和等效阻尼比模型) 及等效双线性模型 (图1) 来模拟HDR的力学行为[4]。本文计算拟采用双线性模型来模拟HDR的力学性能。

双线性模型的各参数和相对关系如图2所示, 各参数含义如下:Qy, 、Xy一屈服力和屈服位移;Fb、Xb一最大力和最大位移;K1一屈服前刚度;K2一屈服后刚度;Qd一特征强度。

2 桥梁计算模型

某大桥主桥跨径为 (65+3×120+65) 米的五跨预应力混凝土连续刚构箱梁, 全长490米, 上部结构采用单箱单室断面, 顶板宽12.75米, 底板宽7.0米, 跨中梁高为3.0米, 支点梁高7.0米, 梁高按1.5次抛物线变化, 使用C50混凝土。下部结构采用双肢薄壁墩, 墩高62~107m, 从左至右桥墩依次定为1#、2#、3#、4#墩 (图2) 。

抗震设防标准:抗震设防烈度为VII度, 水平向设计基本地震动加速度峰值为0.10g。桥梁抗震设防类别为B类, 场地类别为II类, 场地特征周期为0.35s。

为了分析高阻尼橡胶支座对曲线梁桥地震响应的影响, 本文考虑了两种情况的模型, 并假设墩底固结, 不考虑桩-土作用。

模型1:刚构曲线梁桥。桥墩与梁完全固结, 与实例完全符合。

模型2:隔震曲线梁桥。梁与桥墩、桥台在切向与径向用2个非线性弹簧来模拟高阻尼橡胶材料支座, 选用规范[5]附录HDR (I) -d670×233-G1.2圆型支座。其力学基本参数为:

初始水平刚度K1=13.49kN/mm;屈服后水平刚度K2=2.08k N/mm;

等效水平刚度Kh=2.77kN/mm;屈服力Qy=176k N;

等效阻尼比ε=0.15;

利用midas分别建立上述两种模型, 通过软件的“一般连接”功能模拟HDR的非线性特性, 选取经典地震波EI-centro波为输入地震波, 输入方向选取两桥台的连线作为顺桥向 (X轴) , 横桥向 (Y轴) 位于水平面内并通过桥梁中线, Z轴为竖向。根据规范[6]对选取的地震波进行调幅, 经过调幅的三向地震波取X轴为地震波输入的主方向, 按1 (X方向) :0.85 (Y方向) :0.65 (Z方向) 的比例进行调整后, 将其作为激励沿输入结构进行三维地震动作用下曲线梁桥的非线性时程分析。

3 地震响应及结果分析

3.1 隔震前后桥梁基本频率与自振周期

隔震前后桥梁基本频率与自振周期见表1。

运用多重Ritz向量法对模型进行特征值分析, 表1列出隔震前后前五阶模态的频率与自振周期。从中可知, 隔震前的桥梁基本周期为3.09s, 而采用了HDR隔震后的桥梁基本周期为9.35s, 其基本周期得到增大, 从而起到了隔震的作用。

3.2 隔震前后墩顶位移

从表2可知, 采用HDR隔震后的桥梁墩顶的位移比隔震前稍有增大, 这可能是相对于隔震前的刚构桥, 隔震后的桥梁采用了柔性支撑, 减少了水平方向的刚度而致使水平向的位移增大, 并且径向位移要大于切向位移。

3.3 隔震前后墩底内力

从表3可知, 由于采取了HDR支座, 隔震后各墩底的剪力及弯矩在径向与法向上都得到了显著减少。定义减震率为墩底隔震前后某参数绝对值之差与隔震前参数之比, 经计算墩底的剪力减震率在15%-45%之间, 弯矩减震率为14%-57%, 且每个墩高不同, 减震率也有所差别。此外, 从计算结果可知, 各墩的切向剪力与径向剪力值差别不大, 而切向弯矩要大于径向弯矩值。

4 结语

1) 通过布置高阻尼橡胶材料支座, 原结构的自振周期得到了提高, 其基本周期从3.09s延长到了9.35s, 可避开地震能量集中的范围, 从而减低结构的地震力, 达到隔震的目的。

2) 通过模型计算结果可知, 布置了HDR后的曲线梁桥在径向和法向的墩底弯矩和剪力都大大减少, 减震率最大可达57%, 显示出了HDR支座的良好减隔震性能。

3) HDR支座通过延长结构周期以折减地震力, 其结果必然会伴随位移的增大, 从计算结果也可见, 采用了减隔震支座后墩顶的位移有所增大, 且主要是径向方向的位移。因此, 在采用HDR支座的曲线桥应特别注意径向的位移, 必要时可考虑布置挡块或限位措施。

参考文献

[1]杨昀, 周列茅, 周勇军.弯桥与高墩[M].人民交通出版社.2011.

[2]李杨海.公路桥梁支座[M].人民交通出版社.2009.

[3]范立础, 王志强.桥梁减隔震设计[M].人民交通出版社.2001.

[4]朱昆.高阻尼橡胶支座力学性能及其隔震效果分析研究[D].华中科技大学.2009.

[5]中华人民共和国交通运输部.公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座 (JT/T 842-2012) [S]人民交通出版社.2012.

超高阻尼隔震橡胶支座 篇3

靠自身构造提高阻尼性的隔震橡胶支座主要有三种:一种是高阻尼隔震橡胶支座, 一种是铅芯橡胶支座, 这两种在交通和建筑中均被广泛采用;还有一种是内包阻尼体叠层橡胶支座, 此种橡胶支座经计算和验证, 阻尼比可达30%以上, 但由于其制作成本较高等原因未被推广使用。铅芯橡胶支座在使用中逐渐暴露出其老化开裂铅芯外泄的弱点, 不仅影响力学性能, 对环境也造成严重的污染。而高阻尼橡胶支座以其高阻尼性、经济、环保、耐久性强的优点很快占据了桥梁支座的重要位置。现在几乎所有预制或现浇的连续结构桥梁中, 无一不在使用高阻尼隔震橡胶支座。

2013年山西太原的四个中环建设中大量引入了高阻尼隔震橡胶支座, 开创了太原市城市桥梁建设在结构抗震方面一个崭新的时代。

2014年度山西太原南沙河快速化改造工程因跨双塔街和青年路拆迁量巨大, 为减少对周边居民和国计民生的影响, 设计了跨双塔街、青年路高架桥, 该桥为南北两岸分离式预应力现浇连续箱梁结构, 南岸共16跨5联, 北岸共18跨6联。桥宽为8 m双车道。本高架桥的HDR高阻尼支座布置在两墩高差较小的中联固定墩上 (南岸第3联, 北岸第3联和第4联) , 其他部位配合滑动型水平力分散型橡胶支座和减震球形支座布置共同发挥受力作用。

本文主要就该桥的高阻尼橡胶支座的型号规格、选用及布置、特点、减震因素及保养维修几个方面进行介绍。

1 型号规格

该桥选用的高阻尼隔震橡胶支座是HDR (Ⅰ) -d770×286-G1.0型支座, 其中, HDR代表高阻尼;Ⅰ型支座与墩、梁间采用套筒连接, 支座顶面、底面均设预埋钢板, 上、下支座钢板和套筒间采用锚固螺栓连接, 上、下预埋钢板与套筒间采用配合焊接;d770×286表示支座为直径770 mm的圆形支座, 厚度为286 mm;G1.0也常写为G10, 表示设计剪切模量为1.06 MPa, 设计剪应变1.0。该规格支座竖向设计承载力5 211 k N, 设计位移150 mm, 等效阻尼比15%。

2 支座种类的确定与布置

1) 根据桥梁所在地出现最大概率震级 (此桥按地震烈度8度进行验算) 拟算加速度、桥梁水平刚度、容许剪应变及支座的最大位移量等直接确定相应的支座种类、型号规格, 使之满足相应地震力的使用要求。前面介绍的区别于Ⅰ型的Ⅱ型支座底面不设预埋钢板, 底钢板和套筒间采用锚固螺栓连接, 上预埋钢板与顶钢板间采用剪力卡榫连接, 上、下预埋钢板与套筒间采用配合焊接。本桥选用Ⅰ型, 主要是根据设计剪切模量选择, Ⅱ型一般在设计剪切模量为0.8 MPa (G8) 时选用, 再者Ⅱ型支座设计阻尼比一般只能达到12%, 略低于Ⅰ型。2) 根据跨度、温度变化的幅度考虑施工偏差等因素选用相应位移的支座。3) 需考虑桥梁动荷载与混凝土收缩徐变和温差对结构受力的影响。4) 满足实际桥梁建筑等的结构的空间位置要求, 套筒和锚栓应避免与结构受力钢筋相冲突。5) 桥梁设计师根据桥梁的使用功能、纵坡、相邻墩台情况进行选型, 配合滑动型支座优化结构受力, 共同实现承载能力和抗震效果。

3 减隔震因素

高阻尼橡胶采用共聚技术使得材料具有内聚力, 提高了阻尼性;在橡胶中加入炭黑, 可使体系的表观粘度系数增大, 从而增加阻尼性, 这种阻尼性有助于减少机械结构的共振振幅, 从而避免结构因震动应力达到极限造成机构破坏, 且有助于机械系统受到瞬时冲击后, 很快恢复到稳定状态, 在地震中可有效的吸收震能, 减轻地震响应。在橡胶中加入云母、二氧化硅等填料构成的体系引起的内摩擦可使部分机械能转化为热能, 从而起到减震作用。

4 优点

1) 竖向承载力、水平恢复力、阻尼 (消能) 三能合一;2) 支座滞回曲线饱满, 耗能显著;3) 橡胶配方改进, 等效阻尼比可达12%以上;4) 后期维修保养费用低;5) 高震级下变形甚微, 自身刚度及阻尼性能几乎无变化, 可继续使用, 即使需更换也非常方便;6) 表面附着有橡胶保护层, 使内部橡胶不被臭氧、紫外线损害, 具有较好的耐老化性能, 30年等效阻尼比降低不大于1%;7) HDR高阻尼橡胶可适用于-40℃~+60℃温度条件下, 且感温性较弱, 适用地域广;8) HDR高阻尼橡胶经天然橡胶改良并未消减其优越的蠕变性能;9) 对环境无影响。

5 现浇箱梁高阻尼隔震橡胶支座安装工艺及步骤

1) 浇筑桥墩及支座垫石, 在桥墩及支座垫石上预先设置预留孔, 清除预留孔中的杂物;2) 执行支座安装前规范要求的必要检查;3) 在垫石顶面涂抹一层环氧树脂砂浆后, 吊装支座至垫石顶面, 仔细检查支座水平标高后, 采用压力灌浆法经压浆嘴向预留孔内灌入无收缩高强度环氧树脂砂浆, 待砂浆灌满并从垫石顶面溢出时完成压浆;4) 待环氧砂浆达到设计强度后, 校准支座中心标高, 拧紧锚固螺栓;5) 清洁上预埋钢板的上表面, 安装主梁模板并进行主梁浇筑等后续作业。整个过程必须由有经验的技术人员现场指导并复核, 并经监理工程师旁站和检验, 否则, 即使微小的误差都会影响支座发挥其受力作用。

6 支座的保养与维护

1) 定期对支座防腐进行检查, 发现问题时进行防腐层缺陷处理修补。2) 检查支座连接固定件是否松动, 逐一拧紧;检查锚固螺栓是否锈蚀, 必要时按要求质量和规格及时更换。3) 检查钢件表面是否有脱皮、裂纹等。4) 检查不锈钢板与预埋钢板之间的焊缝是否完好, 必要时按要求及时补焊。5) 每隔半年或一年 (视支座使用情况) 对支座锚固件进行清洗并涂刷防锈油, 保证支座螺栓不被锈死, 方便更换。6) 应在最高及最低温度条件下 (太原市温度一般在-25℃~+40℃之间) 检查支座的相对位移量, 如有超限, 则应及时纠正并分析原因采取措施。7) 支座转角如有超限, 则应及时纠正并分析原因, 采取纠偏措施。

7 结语

高阻尼隔震橡胶支座已在现代桥梁和建筑抗震结构中起着举足轻重的作用, 且其阻尼性能的提高还有很大空间。但由于地震的偶然性和震级的不确定性, 建立数学模型较为困难和不准确, 且考虑到其他力学和物理要求的影响, 阻尼性能的提高也受到一定限制。据研究, 炭黑与橡胶的化学结合物在反复作用力下可能破坏其发挥的阻尼性, 且有可能使橡胶的弹性降低。我们不能一味追求其高阻尼性而忽略基本受力性能, 影响桥梁通行时的支撑作用, 这就要求研究者对科学的掺合方法和新的阻尼材料进行更深更广的探索。