新型减隔震支座的研究

第25卷第6期2006年12月兰州交通大学学报(自然科学版)J ou rnal of Lanzh ou J iaotong University(Natural S ciences)V ol.25N o.6Dec.2006文章编号:1001O4373(2006)06O0070O04新型减隔震支座的研究*商耀兆,陈兴冲,王常峰,逯娟(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070)摘要:普通桥梁减隔震支座可能发生翻滚失稳,并且存在肥大等弊端.针对这些问题,提出一种新型减隔震支座,它是由聚四氟乙烯滑板、肘块、支柱和高弹性阻尼橡胶体通过连杆连接而成.通过理论推导和分析,得出了新型减隔震支座的等价刚度和等价阻尼比的计算式和系统周期图示.应用大型专业分析软件AN SY S,对实际桥梁进行建模分析,结果表明,新型减震支座的应用,可以使桥梁的减隔震效果达到50%以上.关键词:桥梁;新型减隔震支座;特征参数;减隔震效果中图分类号:U441.3文献标识码:A减隔震支座可以有效地增加结构阻尼,延长结构的自振周期,减轻地震对桥梁结构的破坏作用.现在常用的减隔震支座有分层橡胶支座(板式橡胶支座)、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等几种类型[1,2].由于这些橡胶支座都是通过水平剪切变形来满足增加桥梁的一阶固有周期的要求,水平位移量不能超过支座直径的四分之三,否则会发生翻滚失稳破坏,所以对于中、大型桥梁,这些隔震支座就要做的很肥大,从而导致设计、施工、造价等方面的问题.抗震型盆式橡胶支座同样面临着纵向位移量受限、自复位能力差等问题.开发一种既能满足正常使用和减隔震要求,又廉价和便于施工的新型减隔震支座具有重要的意义.1新型减隔震支座的构造和工作机理由笔者设计的新型减隔震支座是由聚四氟乙烯滑板、肘块、支柱和高弹性阻尼橡胶体通过连杆连接而成.活动支座的构造如图1所示.梁体由聚四氟乙烯滑板支座支撑,用连杆将支柱与高弹性阻尼橡胶体连接起来,高弹性阻尼橡胶体由挡板和支撑固定.支座未发生位移时(支柱在支座正中间),高弹性阻尼橡胶体与支柱的间距为D,一段连杆的长度为L,且满足D/2<L< D.这样,当温度等引起梁体的伸缩变形时,梁体可以自由伸缩,而不受高弹性阻尼橡胶体的影响,梁体的正常伸缩量为2L-D;当发生地震时,支座发生的位移超图1新型减隔震支座构造示意图Fig.1Flexibility curvature variance curve of twoisolation bearing过2L-D,高弹性阻尼橡胶体会先受拉,当位移超过D时另一侧的高弹性阻尼橡胶体才开始受压.由于高弹性阻尼橡胶体的可拉伸长度大于其可压缩长度,这样可以充分利用高弹性阻尼橡胶体的可拉伸性能.图2为动态中的新型减隔震支座.图2动态中的新型减隔震支座Fig.2New isolation bearing at the volley 固定支座的构造与活动支座相似,但2L=D,并且由销钉将支柱固定于侧向挡板,销钉强度可满足正常运营要求.发生地震时销钉被剪断,固定支座开始滑动,机理同活动支座.*收稿日期:2006O07O20作者简介:商耀兆(1981O),男,河北盐山人,硕士生.第6期商耀兆等:新型减隔震支座的研究2 新型减隔震支座的材料和制作工艺橡胶是一种具有高弹性的高分子材料,橡胶在外力的作用下具有很大的变形能力(伸长率可达500%~1000%),外力除去后又能很快恢复到原始尺寸.橡胶材料除了具有较高的抗压强度和抗剪强度外还具有较高的抗拉强度[3].新型减隔震支座主要由聚四氟乙烯滑板支座和高弹性阻尼橡胶体组成,聚四氟乙烯滑板支座的材料和制作在此不作详述.橡胶体要有足够的弹性和阻尼,而通常在增大橡胶的弹性时会使它的阻尼减小,为使其弹性和阻尼同时达到要求,可在高弹性阻尼橡胶中夹入钢弹簧制成高弹性阻尼橡胶体.又为了使其在受拉时受力均匀,应在两端设置钢盖板.3 新型减隔震支座的参数计算3.1 等价刚度由新型减隔震支座的工作机理,其刚度为分段函数,当梁体正常伸缩变形时,位移量S 小于等于2L -D,刚度为聚四氟乙烯滑板支座摩擦所提供的刚度,因为此时没有自复位能力,等效剪切刚度为0;当位移量S 超过2L -D 而小于等于D 时,系统的等效剪切刚度为高弹性阻尼橡胶体的拉伸等效剪切刚度K c ;当位移量S 超过D 时,系统的等效剪切刚度为高弹性阻尼橡胶体的拉伸等效剪切刚度K c 和压缩等效剪切刚度K d 之和.综上,若记系统的等效剪切刚度为K 0,则K 0=0, S [2L -D;K c , 2L -D <S [D;K c +K d , S > D.(1)3.2 等价阻尼比新型减隔震支座的等价阻尼比[3~5]同样不是定值,记聚四氟乙烯滑板支座摩擦所提供的刚度为K 1,高弹性阻尼橡胶体的拉伸刚度为K 2,高弹性阻尼橡胶体的压缩刚度为K 3.当2L -D <S [D 时,新型减隔震支座的刚度K =K 1+K 2(2)系统等效粘滞阻尼系数为C =C eqs +C eqr(3)式中:C eqs 为聚四氟乙烯滑板支座的阻尼系数;C eqr为高弹性阻尼橡胶体的阻尼系数.系统等价阻尼比:N =C 2M X=C )式中:N 1为聚四氟乙烯滑板支座的阻尼系数对应的结构的阻尼比.N 1=C eqs /(2K M )(5)N 2为高弹性阻尼橡胶体的阻尼系数对应的结构的阻尼比:N 2=C eqr /(2K M )(6)式中:M 为支座支撑的上部结构的质量.根据在振动一周之内所消耗的能量相等的原则,把聚四氟乙烯滑板支座和高弹性阻尼橡胶体在工作中产生的非粘滞阻尼折算为等效粘滞阻尼.它们的计算式见式(7,8).C eqs =4F f PX S (7)C eqr=mA s G 2X t(8)式中:F f 为上部结构的等效质量在聚四氟乙烯滑板支座上滑动时产生的摩擦力;t 为高弹性阻尼橡胶体的厚度;G 2为高弹性阻尼橡胶体的损耗弹性模量.将式(7,8)分别带人式(5,6),得到式(9,10),再代入式(4),便得到聚四氟乙烯滑板、高弹性阻尼橡胶体和支座支撑的等效质量所组成体系的等价阻尼比计算式(11).N1=C eqs C cr =(4F f )/(PX S )2M X =2F f P M X 2S =2L gPX 2S(9)N 2=C eqr C cr =(mA s G 2)/(X t)2K M=mA s G 22K t (10)N =N1+N 2=2L g PX 2S +mA s G 22K t(11)式中:L 为支座支撑的等效质量在聚四氟乙烯滑板支座上滑动时的动摩擦系数.当S >D 时,新型减隔震支座的刚度为K =K 1+K 2+K 3(12)系统等效粘滞阻尼系数为C =C eqs +C 1eq r(13)式中:C 1eqr 为一拉一压两个高弹性阻尼橡胶体组合的阻尼系数.其他的计算公式与2L -D <S [D 时类似,在此不再赘述.3.3 系统的自振周期新型减隔震支座系统的周期T 为一周内高弹性阻尼橡胶体变形时的运动时间T 1加上梁体在自由伸缩位移内运动的时间T 2,即T =T 1+T 2.其中T 1=2PM K/1-N 2,而T 2与梁体的运动速度有关,当高弹性阻尼橡胶体变形很小、速度很71兰州交通大学学报(自然科学版)第25卷低时,T 2较大,相反的情况下T 2较小,以致最后可忽略不计.系统的周期T 与位移量S 的关系曲线如图3所示.图中T 0为T 1的最小值,即系统刚度最大时在一周内高弹性阻尼橡胶体有变形情况下的运动时间,曲线的拐点是由系统刚度的变化引起的.图3 周期示意图Fig.3 General sketch of period4 新型减隔震支座的减隔震效果为检验新型支座的减隔震效果,以实际工程为例,对分别选用普通支座、铅芯橡胶支座和新型减隔震支座3种情况下的桥梁地震响应进行比较.4.1 工程概况及计算模型此桥的主桥为42m+64m +42m 的三跨连续梁,中墩高18m,如图4所示.桥梁位于八度地震区,场地类型为Ⅲ类场地.用大型专业分析软件ANSYS 建立全桥分析模型[6],采用天津地震波作为地震输入,峰值加速度为0.2g ,经处理后,将加速度施加于纵桥向,进行历时19.98s 的地震时程反应分析,时间间隔为0.02s.图4 桥梁立面图(单位:m)Fig.4 Bridge elevation drawing(unit:m)4.2 分析结果及比较分别采用3种不同类型的支座时,对中间两主墩(其中一个为固定支座,一个为活动支座)的墩顶位移、墩底弯矩以及梁体位移进行比较.将3种情况下前5.6s 的响应在同一图中画出,结果如下:图5 固定支座处墩顶位移比较Fig.5 Comparison of displacem ents at pier topwith f ixed bearings由图5~9可以直观地看出各种支座的减震效果.采用普通支座、铅芯橡胶支座和新型减隔震支座3种情况下,固定支座处墩顶位移的最大值分别为:0.104,0.048,0.050m;活动支座处墩顶位移的最大值分别为:0.009,0.027,0.005m ;梁体位移的最大值分别为:0.104,0.049,0.050m ;固定支座墩底弯矩的最大值分别为:702624,306606,374602kN #m;活动支座墩底弯矩的最大值分别为:81847,图6 活动支座处墩顶位移比较Fig.6 C omparison of displacements at pier topwith movable bearings图7 梁体位移比较Fig.7 C omparison of beam displacements182964,53567kN #m.可见采用铅芯橡胶支座能有效减小固定支座墩的墩顶位移、墩底弯矩和梁体位移,但同时较显著地增大了活动支座墩的墩顶位移、墩底弯矩;而采用新型支座不但能有效减小固定支座墩的墩顶位移、墩72第6期商耀兆等:新型减隔震支座的研究图8 固定支座墩底弯矩比较Fig.8 Comparison of moments at pier bottomwith f ixedbearings图9 活动支座墩底弯矩比较Fig.9 New isolation bearing at the volleywith movable bearings底弯矩和梁体位移,达到与铅芯橡胶支座相当的效果,而且能有效减小活动支座墩的墩顶位移、墩底弯矩.所以在减震效果方面,新型减隔震支座比铅芯橡胶支座有明显的优越性.5 结论由于连杆的设置,新型减隔震支座能满足梁体受温度等影响的自由伸缩要求,这对大跨度桥梁尤为重要.从关于支座材料和制造的讨论中可知,高弹性阻尼橡胶体的抗拉特性可以满足设计要求;也是由于连杆,使一侧橡胶体受压而另一侧橡胶体受拉,这样可以充分利用材料,减小支座体积.由于设有固定支座,使桥梁具有足够的水平刚度,能满足正常运营要求.新型支座具有比铅芯橡胶支座更好的减震效果,最大可使地震响应减小50%以上.这种支座经济、耐用、便于维护,可使桥梁经受多次地震的考验;允许产生较大的水平位移量,可应用于大型桥梁结构中.参考文献:[1] 范立础,王志强.桥梁减隔震设计[M ].北京:人民交通出版社,2001.[2] 范立础,卓卫东.桥梁延性抗震设计[M ].北京:人民交通出版社,2001.[3] 周福霖.工程结构减震控制[M ].北京:地震出版社,1997.[4] 薛晓锋.功能分离式减震支座的开发研究[M ].西安:长安大学,2003.[5] 吴 彬,庄军生,臧晓秋.铅芯橡胶支座等效线性分析模型参数的研究[J].中国安全科学学报,2003,(8):65O 68.[6] 陈兴冲,朱.有限元通用程序中耦联弹簧的处理方法[J].兰州铁道学院学报,1998,17(4):1O 3.[7] Char les WR.L RFD design cr iteria for cotto n duck padbr idge bear ing [R].W ashing ton:U niver sity o f W ash -ing ton,2000.Research on New Isolation BearingShang Yaozhao, Chen Xingchong, Wang Changfeng, Lu Juan(S chool of Civil Engineering,Lanzh ou J iaotong U niver sity,Lanz hou 730070,C hina)Abstract:Co mmo n isolatio n bear ings may roll o ver,and have problems such as fat etc.A im ed at these prob -lem s,this paper puts forw ard a new isolatio n bearing w hich is composed of poly sacchar ides slide,elbow blo ck,brace,connecting poles and hig h elastic dam ping rubber dampers.Thro ug h theory deducing and ana -lyzing,the calculation formulas of equivalent stiffness and equivalent damping ratio as well as the gr aph of system perio d are bro ug ht for w ard.T he special analy sis prog ram ANSYS is used to mo del and analy ze an ex isting bridg e.The results indicate that the dam ping and isolation effect of the new bearing can be up to more than fifty percent.Key words:bridge;new iso lation bearing;characteristic par am eter;damping and isolatio n effect73。