隔震支座（精选7篇）
隔震支座 篇1
1.天然橡胶支座构造
天然橡胶支座 (RB支座) 由连接钢板、橡胶层和夹层钢板组成, 其中连接钢板用来连接基础与上部结构;橡胶层与夹层钢板分层布置, 橡胶是一种伸缩性较强的物质, 而分层设置的薄钢板能有效限制橡胶的竖向变形, 而对水平向变形基本无影响。
钢板埋入式RB支座构造基本同钢板外露式, 唯一的不同是这种钢板外围全部用橡胶支座包住, 看不到钢板, 从而对钢板起到保护作用, 其耐久性要比前者强。
工程中的橡胶支座直径通常在800~1000毫米之间, 其竖向承载能力甚至比钢筋混凝土结构还结实。
2.天然橡胶支座的基本性能
(1) HRB支座竖向承载能力
随着橡胶阻尼性能的加强, 支抗侧向变形能力, 但垂直变形能力没有太大的影响, 所以HRB支持垂直承载力和天然橡胶轴承基本相同 (见图1) 。
(2) HRB支座的水平变形能力
HRB具备天然橡胶的水平变形能力外, 水平变形有一定的抵抗能力, 使其吸收的能量比RB支持能力强 (见图2) 。钢板约束变形, 但水平不影响橡胶垂直变形。因此, RB支座的水平变形能力也很出众, 剪切变形达到300%仍能保持稳定, 无故障, 因此, 其抗震能力很不错。
(3) HRB支座的复位能力
支持复位能力的基本和天然橡胶的HRB轴承, 地震时候支座在外力作用下变形, 吸收地震力, 当外力消除, 支座能回到初始位置, 没有任何残余位移。
复位能力是指RB支座发生变形后回复到原位置的能力 (见图3) 。理论与实践表明, RB支座具有优良的变形能力与复位能力。
(4) HRB支座的耐久性
HRB支座的耐久性体现在两个方面:一是橡胶的老化;二是夹层钢板的锈蚀。为了提高橡胶支座的耐久性, 常在RB支座外周设置保护层橡胶, 即钢板埋入型支座, 这种支座耐久性好。工程实践已经证明, 橡胶即使在100年后仍然完好无损。日本调查显示, RB轴承使用10年后, 其性能保持不变, 并预计只有3%在60年后下降性能。
(5) HRB支座的基本力学性能
具有阻尼功能的HRB支座, 滞回曲线丰满。HRB在刚度较大时, 刚度变形较大, 如淡蓝色区域显示, 随着变形量的增大, 刚度软化, 开始在剪切应变大于硬化, 在绿色光显示的区域。大变形回复后, 其滞回曲线如图4加深色区域。滞回曲线所包围的面积表示其吸收的地震能力大小, 由此可见, HRB支座具有良好的耗能能力。
HRB支座力学性能如上图, RB支座性能十分稳定, 水平向力随着水平位移的增大而正比增长。天然橡胶支座由于它优良的性质已经在工程中广泛应用, 目前其设计理念与施工方法均趋于完善, 是隔震结构首选的支座之一。
参考文献
[1]宋贞网, 王修信.橡胶垫基础隔震建筑的地震作用简化计算.东南大学学报, 2001, 32 (6) :964-968.
[2]施卫星, 李正升.基础隔震结构设计反应谱.工程力学, 1998 (增刊) :115-120.
[3]薛素铎, 李雄彦, 蔡炎城.摩擦滑移水平隔震支座的性能试验, 北京工业大学学报, 2009.35 (2) :168-173.
[4]中国工程建设标准化协会标准.叠层橡胶支座隔震技术规程 (CECS126:2001) .北京中国计划出版社, 2001.
隔震支座 篇2
关键词：基础隔震,水平刚度,SAP2000,反应谱分析,动力时程分析
1 引言
基础隔震就是在基础与上部结构之间设置具有一定刚度和阻尼的隔震层, 减小地震作用对上部结构的地震反应, 并通过隔震层吸收、耗散一部分地震能, 从而保证建筑结构以及内部仪器、设备的安全[1、2]。基础隔震具有广泛的应用, 适用于我国地震多发带以及地震高烈度地区的中、低层砖混房屋和钢筋混凝土结构中[3]。近三十年来, 我国学者通过广泛的理论和试验研究, 已验证了在框架结构中采用基础隔震技术可以有效降低其水平地震反应。
本文在此基础上, 进一步研究了铅芯叠层橡胶支座对中低层框架结构水平隔震效果的主要影响参数和影响规律。通过考虑铅芯叠层橡胶支座水平刚度的变化, 对某框架结构进行了一系列隔震参数分析, 给出了铅芯叠层橡胶支座设计参数对水平隔震效果的影响规律。这些规律对实际工程的应用具有一定的参考意义。
2 单质点隔震体系的动力分析
对于中低层建筑物, 当采用基础隔震时, 由于隔震层的水平刚度远小于上部结构, 故地震作用时隔震体系的水平侧移主要集中在隔震层, 上部结构的层间位移相对较小, 近似看作整体平动, 因此, 中低层隔震结构体系可简化为单质点体系进行动力分析[4]。
由此, 可列出基础隔震体系在地震作用下的动力微分方程:
式1两边同除以M, 并记隔震体系的固有频率为ωn、隔震层与上部结构的阻尼比为ζ。则方程式 (1) 可简化为:
把.代入式 (2) , 可得到基础隔震结构体系的动力响应传递函数为:
为了得到结构在采用基础隔震技术后, 地震作用时的加速度和位移响应。分别记Ra、Rd为隔震结构的加速度响应衰减比和位移响应放大比[5], 则:
由Ra、Rd的表达式可知, 当场地特征周期确定后, 隔震支座的水平刚度和阻尼比的合理选取, 直接决定了隔震结构的隔震效果。
3 基础隔震结构的分析模型
本算例为5层钢筋混凝土基础隔震框架办公楼, 隔震支座采用铅芯叠层橡胶支座。建筑物平面尺寸为39.0m×16.8m, 每层层高3.3m, 结构总高度16.5m。抗震设防烈度为8度 (0.20g) , 设计地震分组为第二组, Ⅱ类场地土, 场地特征周期为0.4s。框架柱截面尺寸为600mm×600mm及500mm×500mm, 主梁截面尺寸为300mm×700mm及300mm×800mm, 楼板厚120mm, 混凝土强度等级C30, 钢筋HRB400。每根框架柱与基础连接处设置1个隔震支座, 结构平面布置如图1所示。
本文采用大型有限元软件SAP2000进行建模分析, 模型中的梁、柱单元采用程序中的框架单元模拟, 楼板采用膜单元模拟, 采用连接属性中的Rubber Isolator非线性连接单元来模拟铅芯叠层橡胶支座, 考虑U2, U3两个方向的非线性变形[6]。三维隔震分析模型如图2所示。隔震支座的性能参数如表1所示, 其水平刚度在后文讨论给出。
4 支座水平刚度变化对水平隔震效果的影响分析
利用有限元分析软件SAP2000, 分别建立支座水平刚度K取1000、1500、2000、2500、3000 (刚度单位为KN/mm) 时的隔震模型, 对多遇和罕遇地震作用下的自振周期、基底剪力、顶层加速度、层间位移、支座位移等分别作对比, 以此来分析支座水平刚度变化对水平隔震效果的影响。
首先, 通过模态分析, 得到不同水平刚度下的前三阶自振周期, 如表2所示。
由表2可知:随着隔震支座水平刚度的增大, 隔震体系的自振周期逐渐减小。
4.1 多遇地震作用下对比分析
通过反应谱分析, 来考虑不同刚度隔震结构在多遇地震作用下的地震响应。得到如图3~图6的结果。
由图3~图5可知:多遇地震作用下, 随着支座水平刚度从1000KN/mm增加到3000KN/mm, 隔震结构的基底剪力从1660.79KN增加到2562.52KN, 增大幅度为54.3%;顶层加速度从399.84mm/s-2增大到674.10mm/s-2, 增大幅度为68.6%;支座位移从69.24mm减小到35.65mm, 减小幅度为48.5%。
由图6可知:多遇地震作用下, 随着隔震结构的支座水平刚度的增加, 层间位移也逐渐在增大, 增幅约为60%
4.2 罕遇地震作用下对比分析
利用有限元分析软件SAP2000, 对模型进行罕遇地震下的非线性时程分析, 采用EL-Centro波, 对比隔震效果。如图7~图10所示。
由图7~图9可知:EL-Centro波作用下, 随着支座水平刚度从1000KN/mm增到3000KN/mm, 隔震结构的基底剪力是先增大后减小;顶层加速度是逐渐增加;顶层位移是先减小后增大;支座位移是先增大后减小。
由图10可知:EL-Centro波作用下, 随着隔震结构的支座水平刚度的增加, 层间位移也逐渐在增大, 增幅约为250%。
5 结论
隔震支座的水平刚度是基础隔震结构分析的重要因素, 对隔震结构的隔震效果有着至关重要的影响。水平刚度大, 结构的自振周期就会降低, 从而不能有效的避开场地特征周期, 且基底剪力、顶层加速度以及层间位移都会增大, 大大降低了隔震效果甚至不满足规范要求;水平刚度过小, 地震作用时支座位移就会较大, 可能导致隔震支座破坏或者容易造成结构的倾覆失稳。因此, 需综合多方面因素, 合理选取隔震支座的水平刚度。本案例水平刚度K应取2000KN/mm左右。
参考文献
[1]周福霖.隔震耗能减震和结构控制技术的发展和应用[J].世界地震工程, 1989, 4:16-25.
[2]商昊江, 祁皑.基础隔震技术在中国的研究与应用[J].福建建筑, 2007, 38 (9) :28-29.
[3]孙佳伟.采用隔震装置的框架结构抗震性能分析[D].安徽:合肥工业大学, 2010.
[4]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社, 1997.
[5]栗增欣, 董煜.框架结构基础隔震分析[J].建筑结构, 2013, 43 (S2) :395-398.
隔震支座 篇3
一、隔震功能型建筑概述
在新形势下, 隔震功能型建筑如雨后春笋般不断涌现, 具有一定的安全性、经济性。一是:安全性。主要是因为该类建筑具有较好的减震效果, 能够避免地震灾害发生造成重大的经济损失。而用于其中的隔震装置具有一定的耐久性, 能够延长建筑物的使用寿命。二是:经济性。该类建筑在具有短期效益的同时, 还展现出对应的长期效益。在短期效益方面, 在一定程度上减少了各种原材料、设备的成本支出, 比如, 混凝土。在长期效益方面, 主要是在地震灾害发生后建筑物维修费用的减少。和该类建筑相比, 传统抗震建筑建设的目的是建筑结构在产生巨大变形之后并不会出现倒塌现象, 使塑性变形能够分散到建筑各个结构中, 吸收地震能量。在设计的时候, 主要遵循这样的原则:小震不坏、中震可修、大震不倒。而在隔震技术应用的过程中, 隔震功能型建筑是在传统抗震建筑的基础上, 进行更深入的优化与完善。就其应用来说, 它远远优于传统抗震性建筑, 具有更好的抗震效果。
二、隔震技术概述
就隔震来说, 其相关概念早在20世纪初就被提出, 但开始应用到工程建设中是在20世纪20年代。随着时间不断推移, 在近20多年中, 现代化的隔震技术已被广泛应用到土木工程建设中。对于隔震技术来说, 它是以一种特殊的对策为基点, 有效隔离地震对建筑上部结构造成的破坏。以此, 在地震发生的时候, 建筑物只是出现轻微的震动, 不会破坏建筑结构和内部设施。建筑隔震技术出现在20世纪60年代, 是那时一种新兴的技术。当下, 在工程建设中, 隔震技术的应用非常普遍, 具有多样化的优点, 纷纷受到很多国家的高度重视。
三、橡胶隔震支座概述
在隔震技术研究过程中, 不同类型的隔震支座应运而生, 比如, 滑动隔震支座、复合型隔震支座。而在各种类型隔震支座中, 橡胶隔震支座的应用是最频繁的, 相关技术也比其它类型的支座成熟。对于隔震功能型建筑来说, 橡胶隔震支座是其核心组成元素, 与建筑物已有的隔震效果、安全性息息相关。橡胶隔震支座主要由这两部分组成, 即多层橡胶、多层钢板。一般来说, 它的形状主要以扁圆柱型为主。具体来说, 该支座的隔震原理就是在对应建筑物的底部设置适宜的橡胶隔震支座。在充分利用支座水平柔性基础上, 形成对应的柔性隔震层, 能够吸收、消耗一定的地震能量, 还能对地震能量起到一定的阻止作用, 减轻地震对建筑物上部结构的破坏。此外, 橡胶隔震支座的基本特征主要体现在这个方面。在橡胶隔震支座中, 那些分层设置的薄钢板能够对橡胶起到一定的制约作用, 提高支座自身在竖向上的承载能力。橡胶隔震支座具有多样化的特性。比如, 拉伸性能。主要是因为在地震发生的过程中, 建筑物可能会出现大幅度的摇摆, 对应支座的横断面会出现拉应力。其拉伸性能能够防止支座被拉断, 建筑物倒塌。比如, 耐久性。它能够延长橡胶隔震支座的使用寿命, 展现应有的价值, 减少工程重建费用的支出。
四、橡胶隔震支座的应用实践
就橡胶隔震支座来说, 第一次应用实践是在1997年。那一年, 在法国, 它被用于原子能反应堆中, 并不是用于工程建设中。随着时代不断演变, 当下, 橡胶隔震支座已广泛应用到国内、外各个领域中, 比如, 建筑、核设施建设, 橡胶隔震建筑物不断增多, 发挥着不可替代的作用。而它在我国的应用实践已经历了一系列的过程中。对于我国来说, 是在80年代以后, 才开始对基础隔震技术引起重视, 开始投入到相关研究中。在1991年, 我国第一幢以橡胶隔震支座为基础的建筑物投入到使用中, 总共有八层, 是在汕头市。迄今为止, 在经历不止一次地震之后, 还处于完好状态。在新时代下, 就橡胶隔断支座的现状来说, 我国隔震楼房已经超过1000栋, 楼层高达36层。同时, 就橡胶支座隔震技术来说, 它的实践应用可以分为三个阶段。首先, 是小规模的试点阶段, 大概开始于1993年, 取得了一定的成绩。其次, 是扩大试点阶段。在这一试点阶段, 该技术已被应用到工程建设中。随后, 我国一些地区开始进行隔震功能型建筑建设, 比如, 云南、四川, 进一步推动了相关研究技术的实践应用。最后, 是推广应用阶段。这是在90年代中后期。橡胶隔震支座在实现自主研发的基础上, 还走上了产业化的道路, 取得了一定的成效。在1997年以后, 该类型的建筑在全国各个地区进行推广, 该类建筑物不断增多。此外, 在橡胶隔震支座应用实践过程中, 主要具有这些方面的应用特点。一是:就推广的角度来说, 不仅具有较快的速度, 还具有一定的覆盖面积。二是:橡胶隔震支座主要用于高烈度地区, 超过80%。主要是因为这些地区的建筑物需要具备较高的抗震要求。而该支座正好可以满足这方面的要求, 充分发挥自身的隔震特点, 还具有一定的经济效益。三是:橡胶支座隔震技术应用的范围不断扩大, 比如, 城市地铁、铁路。当然, 还有一些其它方面的应用特点, 比如, 以地域为媒介, 云南、新疆、山西这些地区隔震功能型建筑不断增多, 其数量已超过50%。
五、结语
总而言之, 建筑橡胶隔震支座的应用实践发挥着不容忽视的作用。它能够提高建筑物的抗震能力, 减少地震灾害造成的经济损失, 为人们的生命安全提供保障。同时, 随着相关研究不断深入, 该技术日渐成熟, 能够充分展现该类建筑具有的安全性、经济性, 在满足人们对应需求的同时, 还能使建筑物的整体质量上升到一个崭新的阶段, 不断促进我国建筑事业向前发展。
参考文献
[1]邵静, 姚菲, 徐玉华.隔震支座技术的研究综述[J].四川建筑科学研究, 2014, 03:176-179.
[2]庾光忠, 冯正林, 胡宇新, 郭红峰, 周函宇.浅谈建筑隔震橡胶支座的原理、制造及应用[J].特种橡胶制品, 2010, 05:32-36.
[3]郑亚礼, 段保军, 殷许鹏.隔震建筑的安全性和经济性分析[J].河南城建学院学报, 2013, 05:20-23.建筑隔震
双曲面球型减隔震支座力学分析 篇4
减隔震设计方法是一种比较新的桥梁抗震设计方法, 其在桥梁抗震中的应用在最近二十多年的时间里得到了广泛的发展。所谓“减隔震”, 包括两层含义, 一是减震, 即利用耗能装置消耗地震输入的能量:二是隔震, 即利用一些特殊装置将地震能量的输入路径在某种程度上隔断, 以达到减小地震能量输入, 保护桥梁下部结构的目的。减隔震技术在桥梁结构中的应用往往是通过减隔震支座来实现的。减隔震支座一般是通过橡胶的变形耗能, 钢构件的屈服耗能或者滑动摩擦耗能来达到减震的目的:通过地震作用下支座的变形使桥梁结构的周期延长来达到隔震目的。
双曲面球型减隔震支座是一种新开发的减隔震钢支座, 由于其与橡胶类减隔震支座相比具有构造简单、承载力大、耐久性好等优点, 自从被开发以来, 其在桥梁减隔震设计中已经得到了越来越多的应用, 特别是在一些跨径较大的桥梁中得到了较广泛的应用, 如苏通长江大桥引桥等问题。双曲面球型减隔震支座的设计参数主要是滑动球面与转动球面的球心距以及滑动球面的摩擦系数, 球心距和摩擦系数取值的不同, 支座所达到的减隔震效果不同。为了得到较为理想的减隔震效果, 需要研究支座设计参数对减隔震效果的影响, 从而使工程设计人员在不同条件下选用该支座时能够取用较合理的支座设计参数, 从而得到较为理想的减隔震效果。本文将首先介绍双曲面球型支座的工作原理及其力学特性, 然后通过对特定连续梁桥的大量支座参数分析, 研究讨论支座参数对减隔震效果的影响以及选取支座参数的原则方法。
2双曲面球型;戚隔震支座的工作原理及其力学特性
双曲面球型减隔震支座是由同济大学和中国船舶重工集团公司第七二五研究所共同研制开发的减隔震钢支座, 是通过对技术上非常成熟的球型滑动支座进行改造而开发的, 其构造图见图1所示。该支座将普通球型滑动支座的平滑动面改为球面, 结构上包括一个具有滑动凹球面的上支座板、一个具有双凸球面的中支座板和一个具有转动凹球面的下支座板, 滑动球面和转动球面的摩擦副都是由不锈钢板和聚四氟乙烯板组成的。
双曲面球型减隔震支座的作用机理比较简单, 如图1所示。桥面支承在可滑动的上支座板上, 在常用荷载作用下, 由于限位螺栓的作用, 不允许有相对滑动, 相当于固定支座;在地震荷载作用下, 限位螺栓被剪断, 支座滑动使桥面相对桥墩发生位移, 水平运动将产生一个重力的竖向提升, 因而可以产生恢复力。支座的滑动将使桥梁结构的基本周期延长, 达到隔震的目的:滑动球面间的摩擦作用实现了耗能, 从而达到减震的目的;如果支座承受的竖向荷载为w, 水平位移为D, 滑动球面摩擦系数为μ, 则其水平力为:F=W/H+uW (sgn D) 。
式中H为两个球面的球心距。上式第一项是因承受质量沿球面滑动上升所产生的水平向恢复力, 由此可知其水平刚度为: Kh=W/H 由上式可知, 使用双曲面球型减隔震支座后结构的基本周期可以由H值的大小来加以调整控制, 从而可以在一定程度上实现较优的减隔震效果。也表明了滑动球面的摩擦系数对与支座耗能能力也有影响, 摩擦系数越大, 支座的耗能能力越好。双曲面球型减隔震支座也可以用等效线性化模型来模拟, 见图2所示。其等效刚度为:F=W/H+uW/D0) 。
隔震支座 篇5
1. 工程概况
江苏省宿迁市跨越郯庐断裂带, 属我国抗震设防烈度最高的地区之一。宿迁国检海关大厦建筑高度89.1m, 建筑面积3.2万m2, 采用对称布局, 结构体系为框剪结构, 地下一层, 地上17层 (含一层隔震层) , 抗震设防烈度8度, 地震加速度0.3g。该工程采用叠层橡胶支座隔震技术, 总计安装100个隔震支座 (布置如图1所示) , 隔震支座工作应力为15Mpa, 最大单体直径1300mm, 质量6200kg, 预埋钢板面积3.2m2。该建筑是目前我国在建的使用隔震支座最大、建筑高度最高的工程。
低烈度抗震设防地区建筑采用的橡胶隔震支座一般直径小于1m, 本工程采用的属于超大直径隔震支座。采用传统的施工工艺无法保证支座安装质量, 为此我们成立了校企联合技术攻关QC小组, 研究解决支座安装施工中的关键技术。
2. 超大直径橡胶隔震支座施工技术难点
超大直径叠层橡胶支座隔震支座安装施工的主要技术难点有以下几点:
(1) 支座下部结构按照设防烈度8度, 地震加速度0.3g进行设计, 支座节点处钢筋用量大, 钢筋净距小。如7轴交E轴隔震支座节点, 7轴梁上部锚入支座内钢筋14根, 钢筋净间距仅为36mm, 而支座预埋板最大锚固件尺寸95mm×95mm, 且每块板上有大小24个, 锚固件埋入支座困难, 如图2所示。
(2) 隔震支座数量多, 安装精度高, 要求支座预埋钢板安装轴线偏差≤3mm, 中心高度偏差≤5mm, 平面倾斜偏差≤1‰, 支座预埋件固定困难。
(3) 预埋钢板面积大, 最大达1800mm×1800mm, 混凝土浇注孔仅80mm, 板下混凝土浇注、振捣困难, 混凝土密实度难以保证。
3. 安装施工质量保证措施
(1) 采用并筋方法增大钢筋净距。
如何在不增加工程造价的情况下, 把预埋板上锚固件锚入支座梁中是首先要解决的施工难题。通过查阅钢筋混凝土设计规范, 规范规定梁主筋并筋不得大于3根。根据此规定, 经与结构设计人员协商, 采用并筋的方法增大主筋间距。通过并筋调整, 主筋净距由原来的36mm调整为100mm。安装时, 预埋钢板的锚固件宽松准确地锚入支座内, 在不增加造价的情况下既便于安装又方便浇注。调整后, 预埋板锚固件与支座钢筋位置示意如图3所示。
(2) 预埋板位置控制。
隔震支座预埋钢板最大尺寸为1800mm×1800mm, 水平允许偏差最大仅2mm, 轴线允许偏差小于3mm, 支座中心标高与设计标高偏差小于5mm。安装固定后还有多道工序施工, 难免碰撞到预埋板, 造成位置超差质量事故。为了保证混凝土浇筑后预埋板位置符合技术要求, 进一步提高了安装质量标准和采取相应的技术保证措施。具体措施如下: (1) 使用高精度水准仪和经纬仪来保证测量精度, 减少测量误差, 各项测量误差控制在2mm以内。 (2) 调整施工工序, 增加二次浇筑。
正常施工顺序是:立模→绑扎钢筋→安装预埋板→浇筑混凝土→清理预埋板。调整后的施工顺序是:立模→绑扎钢筋→预留支座处预埋板混凝土浇筑高度→浇筑混凝土→安装预埋板→调整固定→补浇支座混凝土→清理预埋板。
调整和增加施工工序目的是:第一次浇筑混凝土是把梁支座处两端钢筋和支座外柱钢筋均锚入混凝土中, 增强支座处钢筋刚度和稳定性, 既有利于支座预埋板的定位, 又便于把已核对好的楼面轴线用经纬仪直接投递到预埋板的轴线上, 避免二次放线造成轴线偏差。
(3) 预埋板定位。
安装时, 先在预埋板每侧放置4根水平尺作为预埋板初步抄平使用。预埋板初平后, 用经纬仪投递轴线到预埋板上。预埋板定位后, 再利用预埋板四角自制调节器调节高度、水平和平面位置, 如图4所示。
预埋板精确定位后, 采用电弧焊把连接杆固定到梁、柱钢筋上。浇筑时, 严禁模板、施工人员、振动器等直接与预埋板接触, 防止人为造成预埋板位移变形。通过上述各项技术保证措施, 浇筑后实测预埋板位置偏差均小于2mm, 完全超过图纸规定的技术要求。
(4) 特种补偿混凝土配合比设计。
为保证预埋板下混凝土的密实度, 防止预埋板下混凝土空鼓质量事故, 进行了特种补偿混凝土的配合比设计和性能试验。具体做法是:用普通混凝土配合比设计方法进行试配, 通过4个水灰比, 找出强度和水灰比的关系曲线, 再根据C50的强度来选定水灰比。确定砂率及外加剂加入量, 计算试配用的混凝土配合比。试配时, 核对坍落度, 并制作强度试件、自由膨胀率试件和限制膨胀率试件。当强度和膨胀率符合设计要求时, 再经过现场试拌进行调整, 最终确定工程采用的施工配合比。表1为采用的施工配合比。浇筑时, 混凝土的各项工作性能完全满足施工要求。通过留置3组抗压试块, 3组膨胀率试件, 经检测中心28d标养试验, 抗压强度平均值56.6Mpa, 膨胀率0.30‰, 完全满足设计要求。
(5) 混凝土浇筑质量控制。
混凝土浇筑时, 如果支座上部混凝土产生的浇注压力小, 就会造成预埋板下表面混凝土充盈不足的严重质量事故。要解决这一问题, 应从增加上部混凝土自重, 减小支座内混凝土流动阻力入手。
(1) 通过计算和试验, 制做了一套专用混凝土浇筑料斗和钢梁支架, 如图5所示。
专用混凝土浇筑料斗和钢梁支架由料斗、料斗阀门、钢梁和支腿组成。料斗阀门控制混凝土浇筑速度, 防止混凝土下料过快堵塞出料口;钢梁和支腿是为了使浇筑混凝土时操作人员与预埋板不直接接触。
(2) 支座内较密的钢筋对混凝土产生的阻力较大, 原设计只能顺着预埋板浇筑孔振捣, 振捣范围只限制在浇筑口四周300mm作用范围内, 其他近1000mm半径范围无法振捣。在无外力作用下, 混凝土内部阻力加大、塑性减小、混凝土失去流动性, 料斗出料口在长时间振捣下, 混凝土中砂浆渗漏到支座底部, 出料口被石子堵塞, 这样就造成预埋板下混凝土不均匀和密实度不足的质量问题。
通过设计院变更设计, 把隔震支座向四周各扩大300mm, 提供振动棒操作位置。同时, 在预埋板上设置φ20若干个出气孔。出气孔的作用是:振捣时, 混凝土中的气泡顺着出气孔排出, 可防止混凝土与预埋板间有空气间隙;当混凝土充满时, 混凝土中浆料可顺着出气孔往上冒, 便于检查混凝土的充盈率是否达到100%。
(3) 浇筑前10小时 (可根据浇筑时气温而定) 用水湿润被浇筑部位。湿润作用是:减少混凝土坍落度损失;减小新浇筑的混凝土与模板、原混凝土阻力;提高新旧混凝土的粘结力。
(4) 浇注时, 先在构件接口处放入一层同混凝土成分相同的无石子水泥砂浆, 然后在隔震支座预埋钢板每侧各放入2~3根高频率振动棒 (振动棒数量可根据支座大小而定) 。浇筑时, 振动棒同时振捣。振捣时间应根据下料的数量和速度而定, 防止混凝土离析。
被浇筑的混凝土在上部压力和下部振动作用下, 液化状态加剧, 阻力减小, 混凝土迅速充盈到各部位。当混凝土充盈满时, 混凝土中气泡排尽后, 浆料顺着出气孔往上冒, 这时关闭料斗阀门, 停止下料, 慢慢抽出振动棒, 再用振动棒沿着支座四周振捣, 振捣点间距为300~400mm。图6是调整后的浇注工作示意图。
(5) 浇筑完清理预埋板上混凝土后, 立即开始养护, 养护时间不少于7天。
8天后, 用电钻钻孔检查混凝土充盈情况。检查结果:板与混凝土间无间隙, 充盈率达100%。
4. 超大直径橡胶隔震支座安装质量验收
经过QC小组成员的共同努力, 成功地攻克了超大直径隔震支座安装质量的各种难题。经宿迁市抗震办、建设单位、设计单位、监理单位、施工单位的共同验收, 安装质量均超过预定的目标值。隔震支座安装使用3个月后进行复检, 其结果是:隔震支座竖向压缩变形1.2mm (2倍压力试验, 压缩标准值为3mm) , 符合设计要求;建筑物全高垂直度偏差与竣工前测量值一致;支座处梁柱混凝土无裂缝, 隔震支座工作状态良好, 完全满足了使用要求。
参考文献
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隔震支座 篇6
近年来,应用铅芯橡胶支座进行桥梁减(隔)震受到各国研究人员的广泛关注,并取得了一些有价值的研究成果[1,2,3]。铅芯橡胶支座是一种新型减(隔)震支座,它是由普通叠层橡胶支座插入铅芯形成,由于铅芯能同时耗散地震能量和增加静荷载下的刚度,满足了隔震体系的大部分要求,被认为是进行桥梁隔震较理想的装置,已在美国、日本、新西兰和意大利等国广泛应用。一些隔震桥梁已在数次地震中表现出良好的抗震性能,进一步显示了桥梁隔震技术的优越性和广阔的发展前景[4,5]。
我国对隔震支座的应用研究尚属起步阶段,而对铁路桥梁采用铅芯橡胶支座(LRB)的较少,铁路桥梁多采用盆式橡胶支座,研究铁路铅芯橡胶支座隔震桥梁抗震性能具有现实意义。理论分析与实验结果都表明,在桥梁中采用了减(隔)震支座后,桥梁的整体动力特性发生了改变,传统的桥梁延性抗震设计方法已经不再适用于隔震桥梁[6]。铅芯橡胶支座的滞回耗能特性主要由支座初始弹性刚度与屈服后刚度及硬化比等动力参数确定,同时铅芯直径和高度的变化,对铅芯橡胶支座吸收耗散能量的功能有直接的影响。本文建立了隔震多跨简支梁桥体系的全桥模型,将支座、梁和桥墩作为一个整体考虑,给出了铅芯橡胶支座滞回特性的等效线性模型以及这种支座设计参数的计算方法和取值范围。通过改变地震激励特性、地震动强度和车速等参数,对隔震桥梁在不同激励下的响应规律和特点进行了系统的研究。
1 铅芯橡胶支座动力分析模型
1.1 铅芯橡胶支座滞回模型
从大量的试验结果可知,铅芯橡胶支座的荷载—变形关系是非线性的,Bouc-Wen[7]通过对结构动力滞回特性研究提出的微分型滞回恢复力模式,在一定程度上接近滞回特性的实际情况,能方便地考虑橡胶支座水平变形的后期硬化特性。为简化计算,根据滞回曲线中正反向加载卸载时,初始刚度与卸载刚度以及屈服后刚度相平行的特点,将支座的滞回曲线简化为双线性曲线,从而建立起铅芯橡胶支座的滞回特性等效双线性模型。滞回曲线主要由铅芯橡胶支座的动力参数确定,最重要的就是屈服前刚度,屈服后刚度和屈服强度,而影响这些参数的主要因素是铅芯橡胶支座的橡胶面积,铅芯直径和高度,以及铅芯橡胶支座的剪切模量。当确定了支座的尺寸和材料特性,就可以求出支座模型的三个重要参数。图1为铅芯橡胶支座简图,图2描述了铅芯橡胶支座等效双线性恢复力模型。
1.2 铅芯橡胶支座的初始刚度与屈服后刚度
本文的支座参数分析采用日本桥梁免震设计条例[9]给出的根据实验结果建立的公式:
Ku=6.5Kd (1)
F=ARFγ+APq0 (3)
Qd=Apq0 (4)
q0=85.0 kgf/cm2,对应于剪应变γ=0 时铅芯的剪应力,q是铅芯剪应力,按下式取值:
1.3 铅芯的直径和高度
理论分析与实验结果表明:铅芯橡胶支座的耗能主要是通过铅芯的变形来实现。即铅芯橡胶支座的耗能随支座的特征强度的增大而增大,随支座的最大变形的增大而增大。当两支座铅芯有效变形体积相同时,多芯支座的耗能略低于单芯支座。为了保证铅芯橡胶支座正常的力学性能,铅芯的直径dp与其有效高度HP之比应满足下面的关系:1.25≤HP/dp≤5.0。
2 隔震桥梁地震响应分析实例
2.1 五跨简支梁桥的基本参数
某铁路五跨简支梁桥,采用32 m箱梁,圆端形实体桥墩,20 m墩高,墩身为C35混凝土现浇,纵向钢筋全截面配筋率为0.43%。桥址处50年超越概率为2%,设计水平地震加速度a=0.2g,罕遇水平地震加速度a=0.4g,Ⅱ类场地,特征周期为0.55 s。
2.2 有限元分析模型
采用ANSYS建立五跨简支梁桥全桥空间分析模型,采用Beam188单元模拟箱梁和桥墩,墩底固结。根据前述研究,铅芯橡胶支座在滞变加载实验中的滞回曲线近似呈现为双线性的行为,故在数值模拟中采用双线性模式模拟铅芯橡胶支座的行为。在ANSYS中,隔震支座的力学模型可以简化为由水平两方向的非线性弹簧、粘滞阻尼器以及竖向的线性弹簧所组成,竖向刚度的模拟采用Combin14单元;在两个水平方向采用Combin40单元,该单元可以引入双线性的强化模型、粘滞阻尼的影响。
2.3 铅芯橡胶支座设计
根据前述理论,铅芯橡胶支座尺寸及计算参数见表1。
3 铅芯橡胶支座隔震桥梁动力响应计算及分析
3.1 计算过程
为了分析减隔震支座的减震效果,考虑了三种工况及其组合:
1)列车分别以160 km/h,200 km/h,250 km/h,300 km/h,350 km/h的车速过桥;
2)桥梁分别考虑普通盆式橡胶支座和铅芯橡胶支座;铅芯橡胶支座尺寸及计算参数见表1;
3)输入El Centro地震动加速度时程,分别考虑横向和纵向常遇地震、设计地震和罕遇地震,地震力组合为Ex+0.65Ez,Ey+0.65Ez。
桥梁结构在隔震前基本周期为0.462 0 s,隔震后的基本周期为1.127 4 s。通过输入El Centro地震动,以列车时速350 km/h纵桥向罕遇地震输入为例,计算隔震前后结构的墩顶位移和墩底剪力以及墩底弯矩的最大值见表2。160 km/h时速时隔震前后纵向罕遇地震墩顶顺桥向位移见图3;350 km/h隔震前后纵向罕遇地震墩顶顺桥向位移见图4;减震率
3.2 结果分析
利用ANSYS对以上三种工况组合进行计算,结果表明:
1)随着列车速度和地震强度的增加,桥梁动力响应有增大的趋势,但不是线性增加,对于隔震桥梁的减震率来说,亦是如此。
2)与普通橡胶支座相比,铅芯橡胶支座既能降低强震作用下结构的墩顶位移,又能降低梁体的位移,同时桥梁所受的弯矩剪力都大为减少。采用铅芯橡胶支座对桥梁进行合理的隔震设计,可以使桥梁在罕遇地震作用下由铅芯橡胶支座吸收大部分地震能量,使大部分变形都发生在支座部位,即使桥墩发生有限的非弹性变形,隔震设计仍然可以起到有效保护桥墩的作用。
4 结语
本文建立了铅芯橡胶支座滞回特性的等效线性化模型,给出了这种减震装置的设计参数的计算方法及合理的取值范围。以高速铁路多跨简支梁桥进行减隔震计算分析,计算结果表明:
1)随着列车速度和地震强度的增加,隔震桥梁动力响应有增大的趋势,但不是线性增加;2)与普通橡胶支座相比铅芯橡胶支座具有良好的减震性能,铅芯橡胶支座能降低强震作用下结构的位移弯矩等内力;3)合理的选择减隔震支座动力参数是减小结构的地震响应的关键所在,对桥梁减隔震体系的参数优化应深入研究。
摘要：给出了铅芯橡胶支座滞回特性的等效线性模型以及支座设计参数的计算方法和取值范围,建立了隔震多跨简支梁桥体系的全桥模型,通过改变地震激励、地震动强度和车速等参数,对隔震桥梁在不同激励下的响应规律和特点进行了系统的研究,分析了隔震效果。
关键词：铁路桥梁,铅芯橡胶支座,减隔震
参考文献
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隔震支座 篇7
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
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