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铁路桥梁的抗震设计与分析铁路作为现代交通运输的重要方式，其桥梁的安全性至关重要。
在地震等自然灾害面前，铁路桥梁需要具备足够的抗震能力，以保障铁路运输的畅通和乘客的生命财产安全。
本文将对铁路桥梁的抗震设计与分析进行详细探讨。
一、铁路桥梁抗震设计的重要性铁路桥梁通常跨越河流、山谷等地形，是铁路线路中的关键节点。
一旦在地震中受损，不仅会导致铁路运输中断，还可能引发次生灾害，造成巨大的经济损失和社会影响。
例如，强烈的地震可能导致桥梁坍塌，使列车脱轨，威胁乘客生命安全；也可能损坏桥梁的基础和支撑结构，影响桥梁的长期稳定性。
因此，进行科学合理的抗震设计是确保铁路桥梁在地震中安全可靠的关键。
二、地震对铁路桥梁的影响地震作用下，铁路桥梁可能会受到多种形式的破坏。
首先是水平地震力引起的桥梁结构的位移和变形。
桥梁的梁体、墩柱等部件可能会因水平力而发生相对位移，导致连接部位的破坏，如支座的损坏、伸缩缝的失效等。
其次，竖向地震力也不可忽视。
它可能会增加桥梁结构的竖向荷载，导致桥墩的受压破坏，或者使梁体与桥墩之间的接触面产生过大的压力，影响结构的整体性。
此外，地震还可能引发地基的液化和不均匀沉降，从而削弱桥梁基础的承载能力，导致桥梁倾斜甚至倒塌。
三、铁路桥梁抗震设计的原则1、多防线设计原则在抗震设计中，应设置多重抗震防线，避免因单一构件的破坏而导致整个结构的倒塌。
例如，除了主要的承载构件外，还应考虑次要构件和连接部位的抗震性能，形成相互协同的抗震体系。
2、能力设计原则通过合理的设计，确保结构中的关键构件和部位具有足够的强度和延性，能够在地震中承受较大的变形而不发生脆性破坏。
3、整体性原则注重桥梁结构的整体性，使各个构件之间能够有效地协同工作，共同抵抗地震作用。
加强连接部位的设计，确保力的传递顺畅。
4、经济性原则在满足抗震性能要求的前提下，尽量降低工程造价，通过优化设计方案，选择合适的材料和结构形式，实现经济与安全的平衡。
铅芯橡胶支座在铁路桥梁中减隔震研究的开题报告
1. 研究背景
铁路桥梁是铁路建设中的关键部分，对于保障行车安全和线路可靠
性具有重要作用。
随着运营速度的增加，桥梁的减隔震技术日益受到重视。
铅芯橡胶支座作为一种重要的减隔震设备，通过减少地震和风荷载
等外力传递至桥梁结构，能够有效地改善铁路桥梁的动力特性和减小对
周围环境的影响。
2. 研究目的
本研究旨在探究铅芯橡胶支座在铁路桥梁中的减隔震作用及其机理，通过理论分析和实验验证，研究铅芯橡胶支座对铁路桥梁结构的影响，
为铁路桥梁减隔震技术提供科学依据。
3. 研究内容
（1）铅芯橡胶支座的原理和特点。
介绍铅芯橡胶支座的内部结构和工作原理，以及在铁路桥梁中的应用特点。
（2）铁路桥梁的减隔震理论。
研究铁路桥梁的自振频率、振动模态和自由振动响应等动力学特性，探究减隔震技术的理论基础。
（3）铅芯橡胶支座的减隔震机理研究。
分析铅芯橡胶支座在铁路桥梁中的减震机理和作用方式，探究不同支座参数对减震效果的影响。
（4）铅芯橡胶支座的实验研究。
设计实验方案，利用振动台进行模拟实验，测量铅芯橡胶支座在不同振动条件下的隔音效果和振动特性。
4. 研究意义
本研究将深入探究铅芯橡胶支座在铁路桥梁中的减隔震机理和作用
方式，为铁路桥梁减隔震技术提供科学依据。
通过实验模拟，验证铅芯
橡胶支座的减震效果，为实际工程提供可靠的技术支持。
同时，本研究
还将对铁路桥梁的构造设计提供参考和指导，为提高铁路运营安全性和功能性贡献力量。
2019.10科学技术创新-135-采用铅芯橡胶隔震支座的连续梁桥隔震性能分析何宇森杨潇李景宝(华北水利水电大学，河南郑州450045)摘要:以某联连续梁桥为例，基于Midas Civil软件建立了连续桥梁的三维有限元分析模型，并运用时程分析方法分别对采用隔震支座和盆式橡胶支座的桥梁结构的地震反应进行对比分析。
研究结果表明：采用铅芯橡胶支座可以延长城市高架桥梁在地震作用下的自振周期，有效降低桥梁制动墩的地震作用效应，可使各桥墩的内力和位移分布更为均匀。
关键词:铅芯橡胶支座;连续梁桥；时程分析中图分类号:TU352.1文献标识码：A我国是个地震多发的国家，在高烈度区域建设桥梁,地震作用成为设计的关键因素。
如何保障地震作用中桥梁的安全性与稳定性，进行正确合理的抗震设计则显得尤为重要。
比起传统的抗震装置,铅芯橡胶隔震支座作为一款具有优秀综合性能的隔震装置,通过铅芯的剪切变形吸收地震作用,因此在大跨连续梁桥中得到了广泛的应用“叫本文引用某城市高架桥工程实例,基于Midas Civil软件建立了连续桥梁的三维有限元模型，运用时程分析方法计算与对比盆式橡胶支座与铅芯橡胶支座的地震反应特性。
1工程概况与计算模型以某联(3x30m)预应力混凝土连续箱梁桥为例，箱梁截面形式为单箱四室变截面。
基于Midas Civil软件建立如图1所示全桥有限元模型，每个桥墩上设置两个对称支座,其中铅芯橡胶文章编号：2096-4390(2019)10-0135-02支座采用摩擦摆隔震装置进行模拟，普通盆式支座采用双折线弹性连接模拟。
2地震动输入本文研究桥梁所在地的场地类别为ID类建筑场地，特征周期为0.45,抗震设防烈度为7度。
根据建筑抗震设计规范，选用EI地震波输入，级速度时程PGA为0.35g,调整系数为0.857。
进行有限元分析时,地震波延纵桥向输入，计算结果取均值。
3隔震性能分析3.1模态分析分别对采用普通橡胶支座和铅芯橡胶支座的模型进行计算，结果如表1所示。
铅芯叠层橡胶支座隔震体系及结构抗震性能分析作者：许玲玲来源：《科技视界》2014年第01期【摘要】本文主要对（铅芯）叠层橡胶隔震技术进行论述，对（铅芯）叠层橡胶隔震支座的竖向和水平方向的性能指标进行了较为详细的论述，介绍了隔震结构和橡胶支座的数学计算模型，最后通过对一结构实例进行时程分析，对比了无隔震结构和基础隔震结构的性能表现。
【关键词】基础隔震；铅芯叠层橡胶支座；时程分析1 （铅芯）叠层橡胶支座隔震介绍隔震的基本思想是将整个建筑物或其局部搂层坐落在隔震层上，通过隔震层的变形来吸收能量，从而减小结构的地震响应，提高建筑物的抗震性能。
在实际应用中，隔震层布置在上部结构和基础之间的，因而被称为“基础隔震”。
叠层橡胶隔震支座（laminated rubber bearing，RB）由薄橡胶板与薄钢板交替叠合而成。
由于薄钢板对橡胶板横向变形产生约束，使叠层橡胶支座具有非常大的竖向刚度。
在水平刚度方面，薄钢板不影响橡胶板的变形，因而保持了橡胶固有的柔韧性。
在普通叠层橡胶支座中竖直地灌入铅棒就成了铅芯叠层橡胶支座（lead laminated rubber bearing， LRB） [1]。
由于铅的屈服力（剪切屈服极根）较低，再结晶能力较强，具有较好的耐疲劳特性，当支座发生反复水平剪切变形时，铅芯具有稳定的耗能能力，因此LRB是融隔震、耗能及限位于一体的非线性装置，较之RB有明显的优势，在各国建造的隔震房屋中应用的比例呈逐年增加的趋势[2]。
2 铅芯叠层橡胶隔震支座（LRB）性能参数2.1 竖向刚度分析以下给出日本竖向应力与应变关系公式：ε■=■ （1）Ea=E■（1+2kS■■）（2）考虑体积弹性系数时：ε■=■+■（3）E■=■ （4）竖向刚度：K■=■ （5）其中：ε■——压缩应变；σ■——压缩应力；E■——橡胶的竖向弹性模量； Ea——名义弹性模量； S——一次形状系数；k ——取决于橡胶硬度的系数；ε■——竖向应变；E■——修正弹性模量； A——橡胶面积；T■——橡胶层总厚度；K■——竖向刚度。
铅芯橡胶支座力学性能及应用研究本文介绍了铅芯橡胶支座的性能，利用大型通用结构分析程序Ansys，对一实际工程建模分析了铅芯橡胶支座的减震效果，结果证明铅芯橡胶支座具有较好的减震、隔震性能。
标签：铅芯橡胶支座减隔震连续梁应用研究1 铅芯橡胶支座及力学特性铅芯橡胶支座是新西兰人W.H.Robinson在1975年4月发明的，一经问世就受到各国关注，并得到了广泛应用。
它将竖向支承、水平向柔性（由橡胶提供）和滞变阻尼（由铅的塑性变形提供）三种功能结合在一个装置里，比较经济地解决了桥跨结构的隔震问题。
一般叠层橡胶支座是由薄橡胶板和薄钢板交错叠合并相互硫化粘结而成的产品。
由于钢板对橡胶板横向变形产生约束，使其具有非常大的竖向刚度。
同时钢板又不影响橡胶板的剪切变形，保持了橡胶固有的柔韧性，使其具有比竖向刚度小得多的水平刚度，及延长桥梁结构的水平自振周期。
从而使支座具有竖向支承与水平隔震机构的双重功能。
铅芯橡胶支座的吸能效果主要是利用铅芯弹塑性变形来达到。
由于铅棒的屈服强度较低（7MPa），并在弹塑性变形条件下具有较好的疲劳性能，它被认为是一种较理想的阻尼器。
大量实验研究表明：铅芯橡胶支座的恢复力模型可以用双线性来表示。
铅芯橡胶支座的屈服力与铅棒的面积有关，增大铅棒的面积可以提高屈服力，从而提高耗能效果。
铅芯橡胶隔震支座的滞回耗能特性主要有其控制参数屈服力、初始剪切刚度及屈服后刚度所确定。
本文主要致力于对铅芯支座的计算及实际应用，推动减隔震支座在桥梁中应用与发展。
2 抗震分析方法2.1 模型建立清瀾大桥由于引桥结构是对称结构，考虑到各联之间的相互影响，以及对比不同墩高之间的隔震效果，现选择西侧引桥7号桥墩至15号桥墩之间的部分作为抗震分析对象，此部分的桥型图如图1所示。
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。
铁路桥梁设计中的抗震性能与优化在现代交通运输体系中，铁路桥梁扮演着至关重要的角色。
它们不仅承载着列车的安全运行，还需要经受各种自然和人为因素的考验，其中地震是对铁路桥梁安全性威胁较大的一种自然灾害。
因此，在铁路桥梁的设计中，充分考虑抗震性能并进行优化，是确保铁路运输安全和畅通的关键。
地震对铁路桥梁的影响是巨大而复杂的。
强烈的地震波可能导致桥梁结构的破坏，如桥墩的倾斜、断裂，梁体的移位、掉落等。
这些破坏不仅会影响铁路的正常运营，还可能造成严重的人员伤亡和财产损失。
因此，提高铁路桥梁的抗震性能是一项紧迫而重要的任务。
在铁路桥梁设计中，首先要对地震作用进行准确的分析和评估。
这需要考虑地震的强度、频率、持续时间等因素，以及桥梁所在地区的地质条件、地形地貌等。
通过建立合理的数学模型和采用先进的计算方法，可以较为准确地预测地震对桥梁结构的影响。
桥梁的结构形式对抗震性能有着重要的影响。
常见的铁路桥梁结构有简支梁桥、连续梁桥、拱桥、斜拉桥等。
不同的结构形式在抗震性能上各有优缺点。
例如，简支梁桥结构简单，受力明确，但在地震作用下容易发生梁体的移位；连续梁桥整体性较好，但桥墩受力较大，容易在地震中受损。
因此，在设计时需要根据具体情况选择合适的结构形式，并采取相应的抗震措施。
桥墩是铁路桥梁中承受地震作用的重要构件。
为了提高桥墩的抗震性能，可以采用增加桥墩的截面尺寸、提高混凝土的强度等级、配置更多的钢筋等方法。
此外，还可以采用新型的桥墩结构形式，如空心桥墩、双柱式桥墩等，以提高其抗震能力。
同时，在桥墩与基础的连接处，采用合理的锚固方式和加强措施，也能够有效地增强桥墩的抗震性能。
梁体的抗震设计也是不容忽视的。
在地震作用下，梁体可能会发生较大的位移和变形。
为了减少这种影响，可以采用设置限位装置、增加梁体的刚度等方法。
同时，对于预制梁，要确保梁体与桥墩之间的连接牢固可靠，以保证整个桥梁结构的整体性。
基础是桥梁结构的重要组成部分，其抗震性能直接关系到桥梁的稳定性。
第28卷,第3期 中国铁道科学Vol 128No 13 2007年5月 C HINA RA IL WA Y SCIENCEMay ,2007 文章编号:100124632(2007)0320038206铅芯橡胶支座隔震铁路简支梁桥双向地震响应分析钟铁毅1,杨风利1,吴 彬2(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;2.铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心,北京 100081) 摘 要:采用铅芯橡胶支座,选取具有不同固有周期的4座铁路简支梁桥桥墩,建立空间有限元模型。
以7组典型地震波作为激励,进行铅芯橡胶支座隔震铁路简支梁桥的双向地震响应分析。
采用时程分析法计算考虑和不考虑铅芯橡胶支座恢复力耦合作用的隔震桥墩系统的地震响应。
分析结果表明:双向地震动作用下考虑耦合作用的铅芯橡胶支座的位移—恢复力曲线与单向地震作用下不考虑双向恢复力的耦合作用时的位移—恢复力曲线在形状上存在较大差别,铅芯橡胶支座的滞回耗能也不相同;不同地震激励下铅芯橡胶支座恢复力的耦合作用对铅芯橡胶支座峰值位移的影响程度不同;随着桥墩一阶固有周期的增加,铅芯橡胶支座恢复力的耦合作用对一阶振型方向的支座峰值位移的影响程度逐渐增大;梁体的峰值地震响应的规范计算值大都高于实际值,故按照规范值进行铁路简支梁桥的隔震设计偏于安全。
关键词:铅芯橡胶支座;双向地震动;耦合作用;地震响应分析;简支梁桥 中图分类号:U442155 文献标识码:A 收稿日期:2006208204;修订日期:2007203214 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50478059) 作者简介:钟铁毅(1963—),男,辽宁鞍山人,副教授,博士。
近年来,应用铅芯橡胶支座进行桥梁减隔震受到各国学者的广泛关注,并取得了一些有价值的研究成果[125]。
以往的研究基本上均假设铅芯橡胶支座的位移—恢复力曲线为单向双线性等效模型,没有考虑铅芯橡胶支座双向恢复力耦合作用的影响,这与实际情况不符。
关于铅芯橡胶支座双向耦合作用对隔震桥梁系统地震响应的影响研究很少。
R 1S 1J angid 对考虑耦合作用前后的隔震桥梁系统地震响应进行了对比分析,但没有给出耦合作用对于不同周期隔震桥梁地震响应的一般影响规律[6]。
本文对4座应用铅芯橡胶支座的不同固有周期实际铁路简支梁桥桥墩进行减隔震设计,采用时程分析法计算考虑隔震支座耦合作用前后隔震桥梁系统的地震响应,研究铅芯橡胶支座双向恢复力耦合作用对不同固有周期的隔震桥墩地震响应的影响规律。
1 桥墩分析模型 铁路桥梁结构的主要周期范围为011～215s ,研究中选取4座典型铁路简支梁实桥桥墩作为研究对象,采用铅芯橡胶支座对桥墩进行减隔震设计。
桥墩均为变截面桥墩,采用C20混凝土,密度2300kg ・m -3,弹性模量为2515GPa 。
假定隔震桥墩在地震作用下保持线弹性,不考虑桥墩配筋对隔震桥墩系统地震响应的影响。
桥墩及上部结构的几何参数和动力参数如表1所示,其中顺桥向(x 方向)和横桥向(y 方向)分别对应于桥墩一阶振型和二阶振型的方向。
表1 桥梁基本几何参数和动力参数桥墩编号跨度/m 墩高/m桥墩截面形状桥墩质量/t 上部结构质量/t隔震前桥墩顺桥向固有周期/s隔震前桥墩横桥向固有周期/s桥梁1(QL 21)24161510圆形26331701390139桥梁2(QL 22)32162715实心圆端形76620001660144桥梁3(QL 23)32163210实心圆端形94942011010168桥梁4(QL 24)32165010空心圆形21942011241124 运用通用结构分析软件SA P2000/Non ,采用空间梁单元建立桥墩单墩有限元模型,如图1所示。
地震动沿顺桥向和横桥向输入。
图1 变截面桥墩有限元模型2 铅芯橡胶支座计算模型 铅芯橡胶支座在2个水平剪切自由度方向具有耦合的位移—恢复力关系,当隔震桥梁承受双向地震动作用时,应当考虑铅芯橡胶支座耦合作用的影响。
铅芯橡胶支座力学试验大都是在单向荷载作用下进行的,得到的恢复力曲线也是单向的。
目前研究中广泛采用的铅芯橡胶支座双向恢复力—位移滞回模型是Park 等人于1986年提出的理论模型,如图2所示。
该模型中铅芯橡胶支座x 方向和y 方向的恢复力符合如下关系。
F b x F by=c b 0c bx b y b+ηk u 0k ux b y b+(1-η)F y Z x Z y(1)式中:F b x 和F b y 分别为铅芯橡胶支座x 方向和y 方向的恢复力;Z x 和Z y 分别是x 方向和y 方向的滞回位移;c b 是铅芯橡胶支座的粘滞阻尼;k u 为铅芯橡胶支座的初始刚度,即屈服前刚度;x b 和y b 分别表示铅芯橡胶支座在x 方向和y 方向的相对位移;η为屈服后刚度与屈服前刚度的比值,即硬化比;F y 为铅芯橡胶支座的屈服强度。
图2 铅芯橡胶支座耦合模型 铅芯橡胶支座滞回位移分量Z x 和Z y 满足下列耦合的非线性一阶微分方程。
d y Z x Z y =[G] x by b(2) [G]=A -γsgn ( x b )Z x Z x -βZ 2x -γsgn ( y b )Z y Z x -βZ x Zy-γsgn ( x b )Z y Z x -βZ x Z y A -βsgn ( y b )Z y Z y -βZ 2y (3)式中:d y 为铅芯橡胶支座的屈服位移;A ,γ和β是控制铅芯橡胶支座恢复力—位移滞回环形状和大小的参数;sgn 为符号函数。
铅芯橡胶支座的恢复力—位移滞回特性可以通过选择合适的η,A ,γ和β值来确定,计算中取A =1,γ=β=015。
非对角矩阵[G ]体现了铅芯橡胶支座在2个正交方向恢复力的耦合作用,如果分别在顺桥向(x 方向)和横桥向(y 方向)用二维模型分析隔震桥梁的地震响应,这种耦合作用将会被忽略。
实际计算时,根据前述的铅芯橡胶支座滞回特性,假定铅芯橡胶支座的滞回性能符合双线性模型,且支座在2个正交方向的恢复力模型相同,采用屈服前刚度,硬化比和屈服强度作为铅芯橡胶支座的力学控制参数。
图3描述了铅芯橡胶支座等效双线性恢复力模型,其中d i 为铅芯橡胶支座的有效设计变位,(d y ,F y )为铅芯橡胶支座的屈服点,k d 为铅芯橡胶支座的屈服后刚度,则硬化比η=k dk u,支座的屈服位移d y =F yk u。
定义位移比μ=d id y,则支座的等效刚度k b 为 k b =1+η(μ-1)μk u(4) 本文采用的铅芯橡胶支座的基本参数为[7]:屈服前刚度k u =13615GN ・m -1,支座等效刚度k b =30140GN ・m -1,硬化比η=0113,屈服强度F y =373kN 。
93第3期 铅芯橡胶支座隔震铁路简支梁桥双向地震响应分析图3 铅芯橡胶支座双线性滞回模型3 数值分析 采用时程分析法计算上述4座隔震桥墩在单向地震动和双向地震动下x方向(顺桥向)和y(横桥向)方向的地震响应。
311 地震波的选用关于双向地震作用下隔震桥梁的设计, AASH TO《桥梁减隔震设计指导规程》[8]中建议:应选取不少于3组的双向地震波作为激励进行双向地震动作用下的桥梁结构地震响应分析。
本文选择7组典型的强震记录作为地震激励,强震记录的基本特性如表2所示。
312 耦合作用的影响31211 支座位移—恢复力滞回曲线在单向地震动的作用下,铅芯橡胶支座的恢复力—位移滞回曲线比较规则,呈现出良好的弹塑性特性;在双向地震动的作用下,由于铅芯橡胶支座恢复力和位移之间的双向耦合作用,铅芯橡胶支座的滞回曲线较不规则[9]。
图4和图5分别给出了QL24在双向Nort hridge波作用下考虑支座的双向耦合作用和单向Nort hridge波作用下不考虑支座的双向动耦合作用时铅芯橡胶支座x方向和y方向的位移—恢复力曲线。
表2 双向地震波特性地震波名称地震波编号峰值加速度P GA/g南北向东西向持时/s南北向东西向特征周期/s南北向东西向Chi2Chi1018082018531401004010001400158 El Centro2013569012142531725314601540150 Loma Pretia3012759012199391983919801640168 Nort hridge4018836013703591985919801220110 Parkfield5012370012750261182611401200116 San Fernando6013154012706611846118801320120Taft7011557011793541385414001360144图4 x方向位移—恢复力曲线对比 从图4和图5可以看出,隔震桥墩QL24在考虑双向耦合作用的支座x方向和y方向的滞回环面积均大于不考虑耦合作用的滞回环面积。
从能量角度分析,铅芯橡胶支座在双向地震作用下的滞回图5 y方向位移—恢复力曲线对比耗能为37716kN・m,而铅芯橡胶支座在单向地震作用下x方向和y方向的滞回耗能之和为34915 kN・m,考虑耦合作用时的铅芯橡胶支座的滞回耗能增大了8104%。
04中 国 铁 道 科 学 第28卷31212 支座峰值位移表3给出了4座隔震桥墩在7组地震波作用下,考虑和不考虑耦合作用的支座x方向和y方向的峰值位移比。
表3 考虑和不考虑耦合作用的支座峰值位移比地震波名称QL21x方向y方向QL22x方向y方向QL23x方向y方向QL24x方向y方向Chi2Chi0197611076110181103401987019800194501927 El Centro1103901996019801102601759019560192801975 Loma0163201964018850191001912019470192101955 Northridge1138901973018401100001935110250182301880 Parkfield1100111022019841104401970110721115811103 San Fernando0193501956019391101501966111610195301775 Taft0197501899019350195701902018830162001877 由表3可以看出,4座隔震桥墩在有些地震波作用下,考虑和不考虑耦合作用的支座峰值位移比变化较大,如QL21在Loma波作用下,考虑和不考虑耦合作用支座x方向的峰值位移比为01632; QL24在Nort hridge波作用下,考虑和不考虑耦合作用的支座y方向的峰值位移比为01880。
