高阻尼隔震橡胶支座在桥梁设计中的分析与运用

高阻尼隔震橡胶支座在桥梁设计中的分析与运用

杜鹏飞

（国家林业局昆明勘察设计院，云南昆明650216）

摘要：减隔震支座是一种先进的桥梁抗震技术，高阻尼隔震橡胶支座设计是复杂的非线性系统。以芒瑞大道K75+095的大桥为例，建立高阻尼支座分析的线性和非线性力学模型，进行高阻尼支座选型的论述与计算。采用非线性时程分析法进行桥梁结构地震响应分析，并与非隔震桥梁设计进行对比。分析结果表明，隔震设计大大降低了桥墩的地震力，且均匀分摊各桥墩地震力，达到了全桥协同抗震的目的。

关键词：阻尼；减隔震；非线性时程；滞回曲线；自振周期；刚度。

Analysis and Application of HDR Pedestal of Rubber Vibration Isolator

on Bridge Design

Du Peng-fei

(China Forest Exploration & Design Institute on Kunming, Kunming 650216, China)

Abstract：Isolation Bearings is an advanced Bridge Seismic technology,the design of HDR pedestal of rubber vibration isolator is a complex nonlinear system.Based on bridge in Mangrui road at K75+095,the linear and nonlinear mechanical model are established on HDR bearing analysis ,which was used for discussing the type selection of HDR bearing.The nonlinear time history analysis method is used for seismic response analysis on bridge structure, then compared with which was no isolation design. The results show that with isolation design the earthquake force of pier is greatly reduced and it could be uniformly allocated,so as to achieve the goal that the whole bridge collaborative seismic.

Keywords: damping; seismic mitigation and isolation; nonlinear time-history; hysteretic curve;natural vibration period; tiffness.

1. 引言

减隔震支座是一种经济、先进的桥梁抗震技术。汶川地震后，桥梁工程抗震设计受到了相关部门的高度重视，减隔震支座的运用也随即在桥梁工程界兴起。但部分技术人员对减隔震支座的分析方式不清楚，造成潜意识里回避减隔震支座的采用，阻碍了减隔震技术的推广。

高阻尼（HDR）隔震橡胶支座是采用特殊配制的橡胶材料制作，其橡胶材料粘性大，自身可吸收能量，使之在强震时产生大阻尼，大量消耗进入结构体系的能量，以达到控制结构内力分布与大小的目的[2]。

2. HDR隔震支座的力学性能

进行减隔震设计的桥梁，由于减隔震装置的非线性，在设计地震力作用下，即使主体结构处于弹性状态，隔震、减震装置一般也应进入非线性阶段才能起到隔震耗能作用，此时可采用基于等效线性化的反应谱法进行分析。在罕遇地震作用下，墩柱、连接装置均进入非线性，应通过对结构进行非线性反应分析来求解结构的地震反应，目前最常用的方法是非弹性反应谱（等效线性化分析法）或非线性时程分析法。

在有限元分析程序中，对于设置隔震支座的非线性连接单元的结构，并非所有的分析工况都是非线性分析。比如说线性静力分析、模态分析等工况，这些线性分析工况中显然是不能够考虑单元中的非线性属性的。但是如果某些单元的非

线性属性不能考虑，可能就会带来结构的不稳定等一系列基本力学问题，因此这时也需要使用非线性单元的线性属性。也就是说，对于所有线性分析工况，非线性单元所表现的是线性属性，所使用的刚度是线性特性值中的有效刚度。有效刚度的输入一般为非线性弹性支承的刚度值，这样既可防止在动力非线性分析中因为输入值地过高或过低而导致结果不收敛，又能在线性静力分析、模态分析等工况中保证结构的稳定。

与线性有效刚度相对应，在非线性单元中需要定义线性有效阻尼。线性有效阻尼的使用与线性有效刚度完全相同，主要用于非线性单元中线性自由度方向阻尼属性，以及所有自由度在线性分析工况的阻尼属性。

所以，不管采用何种分析方法，在对HDR高阻尼橡胶支座进行分析时，都需要取得其相关的线性和非线性力学参数。

图1 DHR固定支座滞回曲线的等价线性化模型图中：K1为屈服前刚度，K2为屈服后刚度，S y为屈服位移量，S d为设计阻尼位移，F y为屈服力，F d为设计阻尼力。

图2 DHR滑板支座滞回曲线的等价线性化模型图中：K0为屈服前刚度，X0y为屈服位移，F0y为滑动摩擦力。

以固定支座为例，由图1可得，HDR支座的等价刚度为[2]：

(1)

图3隔震支座的等价刚度与等价阻尼常数[3]

由图2可得HDR支座的等价阻尼常数为：

(2)

式中：△W——支座吸收的总能量，即图2中滞回曲线所包围的面积；

W——支座的弹性能，即图中三角形obS d的面积[3]。

公式(1)、(2)给出了HDR支座分析的线性化模型。

HDR支座的非线性分析模型为[2]：

初始刚度：，（3）

屈服后刚度：，(4)

在文献[1]中，已给出了各标准型号支座的力学分析数据。但对于特殊定制的支座，尚需利用上述公式建立其线性及非线性力学分析参数，以供有限元程序进行分析。

3. 工程实例分析