FPB-LRB联合隔震性能研究

张彬，宋帅，钱由胜,刘妍秀

(1.辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000；2.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025；3.辽宁省国际工程咨询中心，辽宁 沈阳 110000)



FPB-LRB联合隔震性能研究

张彬1，宋帅1，钱由胜2,刘妍秀3

(1.辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000；2.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025；3.辽宁省国际工程咨询中心，辽宁 沈阳 110000)

FPB支座和LRB支座都是目前较受欢迎的减隔震支座，各自有其独特的优缺点。借助一联3跨预应力混凝土箱梁桥，探讨FPB-LRB的联合作用。采用非线性时程分析方法，分析不同LRB支座布设位置对FPB-LRB隔震桥梁的影响，并与只布设FPB支座进行比较。研究结果表明：FPB-LRB隔震桥梁较FPB隔震桥梁具有较优的隔震性能，恰当的布设LRB支座位置，可以进一步提高FPB-LRB隔震桥梁减震率。

FPB支座；LRB支座；联合作用；布设位置；隔震率

近年来，减隔震结构由于具有良好的抗震性能和较低的抗震设防成本日益得到重视，不少学者对减隔震支座进行了研究分析，取得了很大的突破[1-5]。目前较为常用的减隔震支座有铅芯橡胶支座(LRB)、高阻尼橡胶支座以及摩擦摆支座(FPB)。LRB支座具有竖向刚度大、承载性能好、水平刚度适中和阻尼易调整的优点，FPB支座具有对地震激励频率范围的低敏感性和高稳定性、较强的自限位、复位能力、优良的隔震和消能机制等综合性能[6-8]。本文结合两种支座的优点，借助有限元软件，研究这两种支座的联合作用，并进一步优化支座的位置，使其联合作用达到一个相对较优的效果。

1 支座力学模型

1.1 FPB支座力学模型

目前常用模型有Boue-Wen模型和FP模型，Boue-Wen模型考虑不同方向独立受力，滑动理论采用简单的滑动库伦摩擦原理，而FP模型考虑不同方向受力的影响，摩擦系数采用Mokha和constantinou提出的聚四氟乙烯与钢板之间的修正库伦摩擦系数。本文采用FP模型，其工作原理如图1，FPB支座回复力表达式为：

(1)

式中：W为支座承受的荷载；R为滑动面半径；D为水平位移；μ为摩擦系数。

1.2 LRB支座力学模型

铅芯橡胶支座是目前桥梁隔震设计中应用得比较多的一种减震支座，根据滞回曲线中正反向加载时的初始刚度与卸载时的刚度基本平行以及正反向屈服后刚度也基本互相平行的特性，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滞回曲线的等价线性化模型，如图2。滞回模型中的Qd为铅芯屈服力，其表达式为：

Qd=q(γ)A

(2)

根据LRB支座的力学特性，其恢复力由橡胶与铅芯的弹塑性性能和其粘滞阻尼性能确定，可表示为：

(3)

式中：q(γ)为铅芯剪切应力；A为铅芯面积；u、v为支座的水平位移和速度；α为支座屈服后刚度与初始刚度的比值；uy、Qy分别为支座的屈服位移和屈服荷载；Z为考虑支座材料滞回性能的滞回特性分量；C为橡胶粘滞阻尼系数。

图1 FPB支座工作原理Fig.1 FPB support working principle

图2 LRB支座滞回曲线Fig.2 Hysteresis curve of LRB bearing

2 模型及工况

2.1 工程实例

某桥为3 跨预应力混凝土连续箱梁桥，桥跨布置为70 m+120 m+70 m,主梁为单箱单室箱型截面，顶板宽15.75m，底板宽6.75 m，跨中梁高3 m,墩顶梁高7.5 m,从跨中到墩底梁高按二次抛物线变化。桥墩采用等截面矩形墩，过渡墩通过承台由4根桩基础支撑，主墩由6根桩基础支撑。抗震设防烈度为8 度，场地特征周期为0.4 s，场地类别为Ⅱ类。建立桥梁三维模型时，主梁采用弹性梁单元，考虑桥墩塑性铰作用，用弹性支撑模型桩-土相互作用，桥梁模型见图3。

图3 桥梁模型Fig.3 Bridge model

2.2 支座布设方式及工况

该连续梁桥在非减隔震情况时采用盆式橡胶支座，在2号桥墩处布设固定支座，其余桥墩布置活动支座。这样的支座布置对于减小桥墩的温度效应是有利的，但大量的理论分析和震害调查表明，在承受地震荷载时，会使得大部分地震作用集中在布置固定支座的桥墩上，不能充分发挥各墩群的抗震能力。

在减隔震设计中，一方面支座的阻尼可以耗散地震能量，同时，若能合理的布置支座，使地震效应在各桥墩间合理分配，还可进一步减小桥墩的内力响应[9，10]。基于这一思想，采用了如图4所示的支座布置方案。

图4 支座布置示意图Fig.4 Schematic diagram of bearing arrangement

按照图4支座布设方式，本文按照以下工况进行对比分析研究：

工况1：采用盆式橡胶支座，研究非隔震支座时桥梁的地震反应，盆式橡胶支座按照其承载力大小选择GPZ(Ⅱ)型；

工况2：采用FPB支座，与工况1对比研究FPB支座的减隔震效应，FPB支座的半径R=5 m，摩擦系数μ取0.03；

工况3：保持工况2中隔震周期和主梁位移基本不变，将7和8支座换成LRB支座，此工况中LRB支座的屈服荷载为300 kN，水平方向弹性刚度为9 500 kN/m；

工况4：保持隔震周期和主梁位移不变，将5和6支座换成LRB支座，此工况中LRB支座的屈服荷载为750 kN，水平方向弹性刚度为9 500 kN/m；

工况5：保持隔震周期和主梁位移不变，同时保持LRB的屈服荷载与工况4中的相等，为充分利用FPB支座的高稳定性、较强的自限位、复位能力，保持固定支座4不变，可减小桥梁落梁破坏的可能性，故将3和5支座换成LRB支座，此工况中LRB支座参数同工况4。

2.3 地震波输入

本文以Elcentro波为基础，按照地震烈度为8度的频谱特性、地震动峰值和持续时间三要素，人工合成多遇地震烈度、基本设防烈度和罕遇地震烈度三条地震波。合成后的地震波如图5。

图5 地震波输入Fig.5 Seismic wave input

3 响应分析

3.1 LRB支座布设位置影响分析

按照以上工况及模型采用非线性时程分析，分析2号和3号桥墩墩底弯矩和剪力、主梁位移及桥梁基本周期在上述5中工况下的结果，桥梁结构周期和主梁位移如表2。

表2 不同工况下桥梁周期及位移

Table 2 Bridge period and displacement under different working conditions

工况周期/s主梁位移/mm多遇地震基本设防罕遇地震工况11.1809942.35467.327116.890工况24.55673817.726153.808314.842工况34.22838812.355112.466258.315工况44.82154738.475153.333333.452工况54.66228735.648149.511323.974

分析表2可得，工况3、4和工况5的周期与工况2的较接近，最大差值为5.8%。多遇地震作用下，工况4和工况5的主梁位移较工况2的增长较大，这有利于桥梁抗震。在基本设防烈度和罕遇地震烈度作用下，主梁位移最大相差2.7%和5.9%。

通过以上分析可知工况2、3、4和工况5的周期和主梁位移相差较小，在此基础上，进一步分析两主墩墩底剪力的变化情况，墩底剪力如图6所示。

(a)多遇地震烈度;(b)基本设防烈度;(c)罕遇地震烈度图6 三种地震荷载作用下剪力结果对比Fig.6 Comparison of the results of shear force under three kinds of earthquake

分析图6可知，在各地震烈度作用下，从工况1到工况2，两主墩墩底剪力减小弧度较大，说明FPB支座减震效果明显；对比工况2，3，4和工况5可知，墩底剪力呈减小趋势，说明LRB支座位置对FPB-LRB隔震桥梁减隔震效果影响较大；当隔震支座滞回位移相等时，隔震支座提供的阻尼力越大，则隔震效果越明显，工况4中2号墩只设置了FPB支座，阻尼力由滑动摩擦力提供，而3#墩设置了FPB支座，阻尼力由橡胶粘滞阻尼力和橡胶与铅芯的弹塑性变形提供，阻尼力较大，故3#墩底剪力最小，2号和3号剪力值相差较大，不利于桥梁抗震；而工况5中，2号和3号桥墩都设置有LRB支座，阻尼力较均匀，两桥墩墩底剪力都较小，且剪力值相差较小，此时LRB支座位置较优。

为定量分析LRB支座位置对FPB-LRB隔震桥梁的减隔震影响，本文引进隔震率的概念，用隔震率来定量分析LRB支座不同位置的隔震效果。隔震率λ的表达式为：

(4)

式中:M1表示工况1中墩底弯矩；Mi表示工况i中的墩底弯矩。

限于篇幅，将多遇地震作用下的隔震率列于表3，其余图7所示。

表3 多遇地震作用下的隔震率Table 3 Seismic isolation rate under the action of multiple earthquakes

分析表3和图7，LRB支座全部安放在3#墩时，对3号墩具有显著的隔震效果，但同时对2#墩隔震效果较差，地震时，大部分的力由2号墩承担，不利于桥梁抗震。将LRB支座在2号墩和3号墩上各设置一个，隔震效果良好，对2#墩和3#墩的隔震效果都显著增加。在工况5下，两主墩的隔震率都达到了60%以上。由此可知，FPB-LRB隔震桥梁隔震效果比FPB隔震桥梁隔震效果更好，而且LRB支座位置对FPB-LRB隔震效果影响较大，LRB支座分开设置且靠近制动墩时，其隔震效果最突出。

3.2 LRB参数影响分析

在隔震效果最优的LRB支座布置情况下，进一步研究LRB支座含铅量对FPB-LRB隔震桥梁的隔震影响。LRB支座含铅量可以用LRB滞回模型中的屈服荷载来间接的表示，根据文献[11]可知，屈服荷载应满足0.03 WQd0.1 W的要求，W为支座承受的长期垂直荷载，在支座上现取屈服荷载分别等于0.03，0.05，0.07，0.09和0.1 W进行建模分析，现将基本设防烈度作用下2#桥墩墩底剪力、弯矩和主梁位移结果列于表4。

(a)多遇地震烈度;(b)基本设防烈度;(c)罕遇地震烈度图7 不同烈度作用隔震率对比Fig.6 Comparison of seismic isolation rate of different intensity

Table 4 Results of analysis under the action of basic fortification intensity

工况位移/mm)剪力/kN弯矩/kN*m隔震率/%0.03W149.5115088.476040.348.3150.05W139.0374882.377511.347.3150.07W134.2354879.777675.947.2030.09W131.8404900.377848.647.0850.10W130.6684938.878233.846.824

从表4可以看出，在FPB-LRB隔震桥梁中，在LRB支座布设较优的情况下，改变LRB支座的含铅量对桥梁的减隔震影响较小，考虑隔震措施的经济性，铅芯屈服荷载益取0.03 W。

4 结论

1) 连续梁桥抗震分析中，布设FPB隔震支座比布设盆式橡胶支座具有更好的隔震效果，有利于桥梁抗震。

2) FPB-LRB联合减隔震连续梁桥中，将LRB布设在边墩上与其他布设方式相比，对桥梁的抗震影响不显著。

3) 将LRB支座只布设在制动墩的临墩上，相比布设在边墩上，对主墩有较好的减震效果，且对布设有LRB支座的桥墩减隔震效果最好，这使得两主墩的受力不平衡，不利于桥梁抗震。

4) 将LRB支座分开布设在两主墩上，各墩受力更加合理，充分利用了各个桥墩的抗震能力，达到了较好的效果。

5) LRB支座含铅量对FPB-LRB支座影响并不显著，其它参数的影响应做进一步的研究。

[1] 刘俊,王合希.双曲面球型减隔震支座在刚构连续梁桥中的应用[J].铁道科学与工程学报,2012,9(3):117-123. LIU Jun，WANG Hexi.Application of double spherical seismic isolation bearing in a rigid frame-continuous girder bridge[J].Journal of Railway Science and Engineering,2012,9(3):117-123.

[2] 吕飞.多跨连续梁桥LRB与FVD组合应用减隔震效果分析[D].长沙：中南大学，2014 LÜ Fei.Investigation of LRB and FVD seismic isolation technique multi-span continuous grider bridge[D].Changsha: Central South University,2014.

[3] 杨孟刚,陈国阳.大跨度独塔自锚式悬索桥减隔震措施[J].铁道科学与工程学报,2010,7(6):16-19 YANG Senggang, CHEN Guoyang.Seismic response reduction measurement of long-spanself-anchored suspension bridges with single -tower[J].Journal of Railway Scienee and Engineering,2010,7(6):16-19.

[4] 姜冲虎,李德建.大跨度连续梁桥SSAB与FVD组合应用减隔震技术研究〗[J].铁道科学与工程学报,2013,10(6):28-32 JIANG Chonghu,LI Dejian.Seismic isolation technology research of long-span continuous beam bridge with SSAB and FVD[J].Journal of Railway Scienee and Engineering,2013,10(6):28-32.

[5] 上官萍，马海滨，卓卫东.多跨RC 连续梁桥抗震与减隔震设计方案比选[J].福州大学学报( 自然科学版),2013,41(4):676-681 SHANGGUAN Ping，MA Haibing，ZHUO Weidong.Seismic and isolation design schemes comparison for a multi-spancontinuous RC girder bridge[J].Journal of Fuzhou University( Natural Science Edition),2013,41(4):676-681.

[6] Torunbaki. N， Ozpalanlar G. Earthquake response analysis of mid-story buildings isolated with various seismic isolation techniquesProc[C]//14th WCEE[C]. October 12～17,2008,Beijing,China.

[7] Murat Erz,Reginald DesRoches. Comparative assessment with detailed models of sliding versus elastomeric seismic isolation in typical multi-span bridges[C]//Proc. of Structures Congress 2008[C].Vancouve，BC. Ellingwood,B. R.

[8] Purnachandra Saha and Jangid R S. Comparative performance of isolation systems for benchmark cablestayed bridge[J]. International J. Applied Science and Engineering,2008,6(2):114-119.

[9] 陈之健，赵建锋，朱俊，等.LRB支座选取及其对连续梁桥减隔震效果的影响[J].地震工程与工程振动,2015,35(5):85-91. CHEN Zhijian，ZHAO Jianfeng，ZHU Jun, et al.Selection of LRB and its effect on continuous girder bridge seismic isolation[J].Earthquake Engineering and Engineering Dynamic,2015,35(5):85-91.

[10] 王瑞龙，李建中，庄鑫，等.非规则连续梁桥减隔震支座的合理布置[J].世界地震工程,2015,31(1):197-203 WANG Ruilong, LI Jianzhong, ZHUANG Xin.Reasonable arrangement of isolation bearings in irregular continuous girder bridges[J].World Earthquake Engineering,2015,31(1):197-203.

[11] 庄卫军.桥梁减震、隔震支座和装置[M].北京：中国铁道出版社,2012 ZHUANG Weijun.Bridge vibration isolation, base isolation bearing and device[M].Beijing: China Railway Publishing Hous,2012.

Study on the performance of FPB-LRB combined isolation

ZHANG Bing1， SONG Shuai1， QIAN Yousheng2，LIU Yanxiu3

(1.School of Civil Engineering and Transportation of Liaoning Technical University, Fuxin 12300， China;2.Civil Engineering College of Guizhou University,Guiyang 550025， China;3. International Engcneering Consulting Center of Liaoning Prorinee， Shenyang 110000, China)

FPB support and LRB support are bearing more popularity at present, of which each has its unique advantages and disadvantages. With the aid of a combined 3 span prestressed concrete box girder bridge, the combined effects of FPB-LRB were discussed. The nonlinear process analysis method was used to analyze the influence of different LRB bearings layout position of FPB-LRB isolated bridges, and only laid FPB supports were compared. The results show that the FPB-LRB isolates bridges with FPB isolated bridges with better isolation performance, proper layout of LRB support position can further improve the FPB-LRB isolation of bridge damping ratio.

FPB bearing; LRB bearing; combined action; layout position; isolation rate

2016-01-02

国家安监总局资助项目(05-05-079)；辽宁省教育厅资助项目(L2011048)

张彬(1960-)，男，辽宁丹东人，教授，博士,从事桥梁与隧道研究；E-mail：zhangbin3351888@163.com

U442.55

A

1672-7029(2016)11-2243-06