铅芯橡胶支座对钢箱梁桥抗震性能的影响外文翻译资料

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铅芯橡胶支座对钢箱梁桥抗震性能的影响

Mirza Aamir Baig , Md. Imteyaz Ansari, Nazrul Islam, Mohammad Umair

摘要：橡胶隔震支座已被证明有助于减轻桥梁地震损伤。采用橡胶支座的桥梁在地震作用下，由于支座特性的变化， 其响应比较复杂。本文重点研究了在近场和远场地面振动作用下，橡胶隔震支座对连续钢箱梁桥抗震性能的影 响。在本研究中，对印度德里一座采用铅芯橡胶支座隔震的四跨连续钢箱梁桥进行了数值研究。对选定的桥梁 进行了非线性响应时程分析，以评估橡胶支座滞回耗能、支座位移限值、桥面加速度和基底剪力的敏感性影响。 通过参数分析，研究了地震地面运动和铅芯橡胶支座参数对隔震桥梁性能的影响。 目的是研究地面运动对铅芯 橡胶支座和桥梁的影响。隔震桥梁，如铅芯橡胶支座（LRB），由于承受滞回能量，其地震反应比非隔震桥梁降 低约20%~30%。这表明隔震支座提高了桥梁的抗震性能。结果还表明，当地震动的频率含量增加时，会导致支座 和桥梁损坏的风险增加。与远场地震相比，近场地震显著改变了铅芯橡胶支座耗散的能量与总输入能量之比。 最后，提出了一些建议，这些建议对桥梁设计人员在使用铅芯橡胶隔震器进行早期桥梁隔震设计时具有一定的 参考价值，以适应不同的地震动特征。 版权所有copy;2022爱思唯尔有限公司版权所有。 由创新和可持续发展先进材料国际会议科学委员会负责选择和同行审查。

关键字：铅芯橡胶支座滞回耗 能桥面加速度钢箱梁 易损性曲线

1. 介绍 橡胶隔震器由于其突出的变形特性，近年来被广泛应用于桥梁支座。 研究各种橡胶隔震器的力学和材料特性有助于了解桥梁中的橡胶隔震器 及其在建筑中的抗震性能，确保桥梁不会因地震而发生重大损坏。几项 研究已经证明了橡胶支座在降低桥梁结构中由地震引起的力方面的有效 性。低阻尼天然橡胶支座、高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座是最受欢迎 的橡胶隔震支座类型[1].目前，对支座抗震性能的研究较多使用有限元方法和振动台试验研究不同橡胶支座在地震事件中的力学行 为[2]. 二十多年来，为了保护桥梁免受地震破坏，隔震技术得到了发展。 先前的数值研究表明，近场地震比远场地面震动对孤立桥梁的破坏更 大。然而，大多数隔离的电流结构都是在没有考虑近断层特性的情况 下创建的[3].近场地震的时间历程表明，脉冲状速度波模式可能比其 峰值地面加速度更具破坏性。[4]. 地震隔离背后的想法是在墩帽和桥面之间引入一个柔性层，将桥梁 与地震运动的有害影响分离。桥梁结构的动力反应由地震激励源确定，设计师必须考虑到这种影响，以便创建有效的设计。[5]. 为了对桥梁进行评估，在模拟近场地面振动的情况下，使用铅橡 胶隔震支座对桥梁进行了现场测试。使用两种不同类型的速度脉冲来 研究近场效应。当脉冲周期接近有效周期时，地震反应被放大。为了 提供关于潜在缓解策略的信息，研究了由结构因素变化引起的近场效 应的可变性[6]. 对伊朗1990年以前的桥梁施加近断层和远断层地震动，采用非线性 时程分析方法研究地震敏感性。基底剪力和桥面加速度被用作抗震性能 指标，而PGA被用作主要的强度指标。根据研究，当1990年以前的桥梁 暴露于近断层地震动时，它们会遭受中度至严重的损坏，而远断层地震 动对桥梁的影响很小[7]. 利用多个振动台对一座三跨隔震工字钢梁桥进行了评估。隔离系 统中有12个铅橡胶隔离器。钢筋混凝土桥墩在设计地震烈度下表现为 弹性，塑性铰可能区域混凝土无爆裂，表面仅有少量开裂。即使在三 倍于设计地震强度的情况下，这些柱也表现出基本的弹性行为。阈值 损伤极限状态被发现是在严重地震载荷下支座的显著变形。即使位移 大于轴承直径（根据一阶理论，这是不稳定的），也能保持足够的垂 直载荷能力。支座倒塌发生在桥台和桥墩处，设计地震为3倍，隔震 器剪切应变高达400%[8]. 采用动力时程分析方法，对不同橡胶隔震支座、墩高和跨径的连续 梁桥进行地震反应分析。与其他形式的支座相比，天然橡胶支座桥梁表 现出最高的地震反应[9]. 在介绍了推荐的理想设计方法后，对三座具有不同阻尼值和隔震装 置的实际桥梁的抗震性能进行了评估。每座桥都有四种不同的评估方法： 桥墩和桥台简支、10%阻尼隔震、30%阻尼隔震和最佳附加阻尼比隔震。 两座桥梁的案例研究使用了兼容频谱远场地面运动，而第三座桥梁的案 例研究使用了近场强地震运动。与其他作者推荐的设计技术相比，该研 究表明，这种隔震桥梁具有显著的阻尼，估计总阻尼比为70%，是一个 非常成功的设计选择[10].以三跨连续梁桥为例，研究了近场地震作用下 铅芯橡胶支座的隔震效果。通过非线性时程分析，研究了桥梁的隔震周 期、摩擦系数和位移阈值对桥梁反应的敏感性影响。结果表明，采用正 确的摩擦系数可以减小桥墩的基底力。[11]. 在El Centro和Loma Prieta地震中，对铅橡胶支座支撑的桥面的 性能进行了参数分析。研究了不同特征（如铅塞尺寸、支座厚度、支 座屈服强度和上部结构刚度）对不同地震记录的影响。结果表明，铅 的存在改变了结构的自振周期，增加了结构的阻尼度。当桥梁的基本 周期或桥墩高度增加时，周期移动的幅度和阻尼减小。铅芯橡胶支座 与刚性下部结构结合时效果最佳，可用于分散桥台和排架之间的地震 力。[12]. 基于这一观点，本文研究了在近场和远场地震作用下，隔震技术在 减轻钢箱梁桥地震风险方面的有效性。对一座四跨连续箱梁桥进行了非隔震和隔震两种情况下的非线性时程分析，同一结构同时受到近场地震动和一组远场地震动的作用。在当前的分析中，地面运动按比例放大到 0.8g，并对三个地震级别的不同破坏措施进行了比较，即设计（按比例 放大到PGA=0.2g）、极端（按比例缩小到PGA=0.4G）和严重（按比例缩 小到PGA 0.8g）。 2. 橡胶支座材料及力学性能 具有中心铅芯的弹性支座被称为铅橡胶隔离器，其有助于在横向位 移期间吸收能量。与其他桥梁隔震装置一样，这些装置通常直接位于上 部结构下方，并坐落在下部结构上，而不是传统的膨胀支座上。轴承由 放置在薄钢层（垫片）之间的硫化橡胶层构成。实心铅芯位于轴承的中 心。安装后，将芯子放入并设计成与轴承中预先形成的孔相配合。在轴 承的顶部和底部，放置钢板。将其分别连接到排架和甲板上的底板和砌 体板[2].横向柔性由内部橡胶层提供。钢加强板提供铅芯约束轴向载荷 和轴向刚度能力。铅芯可抵抗车辆产生的风力和制动力，允许结构在工 作载荷条件下移动较少，但在地震引起的横向运动期间提供并消耗能量。 在垂直方向上，轴承是刚性的，而在水平方向上，它是柔性的（一旦铅 芯屈服）[8]. 2.1. 橡胶支座材料特性。 包括天然橡胶和合成橡胶的橡胶是具有高弹性的合成聚合物。橡胶 材料具有相对复杂的机械性能；橡胶材料的应变-应力行为在小应变情 况下几乎是线性的，但在大应变情况下是非线性的[13].铅芯橡胶隔震器 是一种创新形式的抗震支座系统，通过将铅芯插入标准加强橡胶支座而 制成，如（图1).在桥梁结构中，铅芯隔震装置在消耗地震能量的同时， 几乎可以满足隔震系统的所有要求，包括在荷载作用下的刚度，因此该 装置具有很大的应用潜力。LRB的滞回性能、耗能能力和延性主要取决 于LRB的特征强度、屈服前刚度和屈服后刚度等动力特性[8]. 高阻尼橡胶是一种非常有用的隔振材料。 人造橡胶、碳黑、油或树脂经常用作填料，由于其抗震性能、增加的阻 尼质量、柔性刚度和能量耗散能力，可以改善结构[13].橡胶已被广泛应 用于桥梁结构支座中，由于其抗震性能，尤其适用于桥梁隔震结构。铅 芯可以改变轴承的阻尼特性，

允许它们在地震事件期间采用抗震和能量吸收性能。[14]. 铅芯橡胶支座和高阻尼支座在低剪应变下都表现出很强的阻尼和水 平刚度，这有助于将桥梁在使用荷载条件和小地震下的响应保持在可接 受的范围内。此外，一旦支座在更大的地震中屈服，横向剪切力和变形 增加，其水平刚度波动，允许支座吸收地震能量。[9].

2.2. 橡胶支座力学性能 橡胶支座不仅要支撑桥梁上部结构，还要满足桥梁在外力作用下的 变形要求。在强震作用下，桥梁结构发生较大的位移，支座发生较大的 剪切变形。[15].

2.2.1. 弹性模量，E 构成固体硫化橡胶的交联分子的三维网络。系统内的交联数量越 大，对应力变形的弹性越大。一些填料，特别是补强炭黑（碳），被 用作填料，使橡胶的结构，增加刚度和强度。在适度应变（小于百分 之几）下，载荷-挠度曲线近似为线性，弹性模量值可由这些线性截 面确定。压缩值和拉伸值几乎相等。中的值（表1）代表不同硬度的 天然橡胶。

2.2.2. 体积模量，K 橡胶体积模量通常在1000至2000 MPa之间，比同等弹性模量值 （1–10 MPa）高出许多倍。这些极高的值表明橡胶几乎是不可压缩 的，泊松比可以计算为0.5。

2.2.3. 剪切模量，G 理论上，剪切模量是弹性模量的三分之一，泊松比为0.5。这对于轻 胶橡胶（未填充橡胶）是有效的，但是对于具有大量非橡胶成分的较硬 （填充）橡胶，触变和其它因素将剪切模量限制在弹性模量的四分之一 左右。 2.2.4. 硬度 硬度是一个基本且易于计算的量，但它具有相当大的不确定性。剪 切模量值更精确，但更难以达到极限强度和伸长率。

2.2.5. 打破 高等级天然橡胶的拉伸强度范围为（14–28 MPa）。基于初始横截 面区域，断裂应变（断裂伸长率）为500–750%。如果使用断裂面积 来计算极限强度（200MPa），则极限强度可以很高。抗压强度通常在 160MPa的范围内。 3. 隔振系统建模与设计 铅芯橡胶支座（LRB）作为桥梁的隔震装置。铅芯橡胶支座与弹性橡 胶支座相同，由合成橡胶交替层组成。

BER或天然硫化在钢垫片之间，以及两个厚端板，中心有一个额外的铅芯，如（图1).钢板可以承受垂直载荷，而摩擦BER层在水平方向上提供灵活性[16].隔振器在水平方向的柔性限制了地面的转移振动进入上部结构，而隔离中的阻尼分配地震能量，从而降低下部结构位移。铅芯的存在具有变化的直径在轴承粘结直径的20%和40%之间，该系统-TEM通常以滞后型运行。这种形式的轴承提供了弹性恢复力以及具有 合适的铅塞尺寸的所需阻尼比例。铅芯的能量吸收能力促进了系统阻 尼，因此限制了轴承位移[17].在非弹性应力的循环加载过程中，铅 芯橡胶支座还表现出优异的抗疲劳性能。轴承的力-变形行为是非线 性的，其滞后行为由Wenamp;Aposs模型表示，如（图2). (图3）描绘了理想化的力-变形双线性行为基于滞后Bouc-Wen模型的铅芯橡胶隔振器的IOR[18].力-变形双线性模型 特性由设计的关键参数决定，例如（I）初始刚度K1（II）屈服后刚度，K2（III）屈服强度，FY和（IV）特征强度，Q。使 用Kelly和Naeim概述的方法确定以下参数。[19]: 屈服后刚度K2的计算如下：

(1)

其中，表示橡胶层横截面积，G表示橡胶剪切模量，并且H表示构成隔离器的所有橡胶层的总厚度。 弹性刚度K1被描述为屈服强度与屈服变形之比，隔离器的屈服强 度由下式给出：

(2)

(3)

其中，Dy表示屈服位移，Q表示由铅芯给出的隔离器的特征强度，定义如下：

(4)

其中，FYP表示剪切下的铅芯屈服强度，AP表示铅芯截面积。 根据以下等式，特征强度Q也与、和相关：

(5)

对于给定的设计最大位移D_max，隔振器的有效刚度K埃夫可计算如下：

（6）

每个周期的有效阻尼比的计算公式为：

(7)

耗散能（EDC）是每个周期中滞回曲线所覆盖的面积，如（图3）， 计算如下：

能量耗散EDC=4*(D_max-D_y)*Q （8）

4. 易损性分析的损伤极限状态 与易损性曲线相关的阈值极限状态用于创建量化损伤极限，包括适 当的工程要求和结构响应特性（例如，支座位移极限、基底剪力和桥面 位移）。地震对桥梁性能的影响取决于单个构件的损坏程度，特别是支 座和桥墩。使用各种类型的工程需求参数（EDP）来测量桥梁元件的阈 值极限状态。[20]. 轴承的失效条件主要取决于轴承的位移和剪切应变。基于支座剪 应变的支座位移被用于评估桥梁的地震损伤。[21].各种损伤条件下的 支座位移描述见（表2). 当上部结构的位移超过桥台所能提供的最大支座长度时，主梁就会 从桥台上脱落或落下，导致桥梁完全坍塌。这被称为临界倒塌损伤极限 状态。桥台的宽度和盖梁（作为上部结构的支座）的尺寸决定了极限状 态发生的条件[22].轻微、中等、大范围和倒塌损伤的阈值损伤限值被认 为等于最小座椅宽度值的25%、50%、75%和100[23]. 为准确量化箱梁桥桥墩的易损性，考虑了三种损伤极限状态，包括： （I）基底剪力，描述了地基的经济性；以及（II）桥面位移，其描述 了桥面从排架上移开的状态，以及（III）隔离位移。在所选桥梁的地 震易损性评估中，根据HAZUS的规定，有四个损伤等级，即广泛使用的、 轻微的、中等的、广泛的和倒塌损伤[24]，均被考虑。 其中

N= {200 0.0017L 0.0067H}{1 0.000125theta;²} （9）

其中，N是垂直于轴承中心线测量的最小支撑长度（单位：mm），L是桥 面长度（单位：mm），H是所有桥柱的平均高度，最大隔离器设计位移 为D_max为200 mm。

5. 桥梁模型

为了进行数值分析，选择了印度德里的一座传统钢箱梁桥，该桥 具有典型的钢筋混凝土圆形墩。该桥为连续四跨钢箱梁，全长147.88 米，跨径分别为28.5、31.2、32.576、3

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