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北京在不同烈度的地震波作用下铅芯橡胶支座的表现

双林建筑隔震橡胶支座  2020/8/17 16:36:33  5781
内容摘要:减隔震设计的目的是使地震作用下太部分能量集中于减隔震装置,而降低下部结构所承受的惯性力和延性需求。从图1和表l、2可以看出,对一类场地来说.采用北京铅芯橡胶支座后,墩顶位移明显改善,对1、5、9号波梁体位...

减隔震设计的目的是使地震作用下太部分能量集中于减隔震装置,而降低下部结构所承受的惯性力和延性需求。从图1和表l、2可以看出,对一类场地来说.采用北京铅芯橡胶支座后,墩顶位移明显改善,
对1、5、9号波梁体位移]i一定的放大,但整体上还是保持在合理的范围内。对三类场地,4、9号波的墩顶位移发生了放大,2、4、8、9号波作用下,粱体位移发生了放大。对北京板式橡胶支座,其减震性相对铅芯北京橡胶支座要差得多。一类地的1、5、7、9、10号波,三类场地的2、4,6、7、8、9号波,墩顶位移都发生了放大,其中一类场地的1、7.9和三类场地的2、6、9还发生了显著的漂移。

由此可见普通板式支座虽然能够延长结构的周期。隔离上部结构和下部结构的振动模态,但是相对铅芯橡胶支座而言,由于几乎没有滞回耗能的功能,其减震机理只是单纯地阻崮地震力的传播路径,抑制结构的前几阶频率的响应.并没有根本改变结构的动力特性。因此减震性能并不理想。它无法控制粱体的位移,其本身变位也达到了不可接受的程度,实际在地震波(如三类场地的第4、6、9号波)作用下梁的最大位移已经使支座达到了破坏的程度。由于普通板式支座的剐度不随变位变化,其正常使用性能就不如铅芯支座好。铅芯支座虽然初始刚度较大,但是大震时能靠它的低刚度减小墩顶位移,且由于其具有滞回耗能特性,能增大鲋构阻尼,把梁体位移控制在可以接受的范围内,更为重要的是铅芯橡胶支座的高阻尼可以避免与上部结构产生共振。阻尼改变了结构的固有振动特性,由实模态转变为复模态,复模态的激振相位和激振点随时间不断变化,使共振难以发生。桥梁的抗震性能得到了明显改善。

通过计算两类场地的减震率可以发现,三类场地有6条波的减震率低于50%,只有一条波在70%以上,而一类场地只有二条波的减震率在50%以下,有三条波的减震率高于70%;三类场地的减震性要较一类场地要差一些。此外,对减震性能不太好的一类场地的第7、9号波和三类场地的第2、4、6、7、9号波,通过频谱分析可以发现,均为比较典型的低频脉冲型地震波,因此,对易发生脉冲型地震的场地,使用减、隔震技术的玷构隔震设计应慎重。

铅芯橡胶支座

不同地震烈度的影响

为考虑在不同地震烈度作用下的减、隔震性能,笔者采用了8度和9度两种情况下的地震波,进行结构动力响应分析。可见:对铅芯橡胶支座,在8度和9度地震波作用下,墩顶位移减震率基本上保持一致的减震性能,对隔震前后的梁体位移比。采用板式和铅芯支座在8度和9度烈度下,两者的位移比变化趋势基本上是一致的,但采用铅芯支座的梁体位移能保寺在较好的范围内。同时可以看出,三类场地的减震性能相对一类场地要差一些。总体而言,铅芯支座的减震性能要明显强于普通板式支座。

采用铅芯橡胶支座后,结构在不同烈度的地震波作用下,其墩底弯矩比变化差异很大,总的趋势是9度的弯矩比要高于8度的值。一类场地的第l、3、6、7、8、10条波,三类场地的第1、5、6、7、10条波,由于8、9度时采用普通支座的结构都已经入(或接近)屈服,所以弯矩比变化较大。一类的第2、4、7、9条波,三类场地的第8条波,由于8度下结构均未屈服,且8度弯矩值较小,所以弯矩比在8、9度下基本一致,这说明如果非隔震时结构未屈服,地震烈度增大后,不论是采用减震支座还是采用普通支座,结构的弯矩都呈现同步增大的现象。由于三类场地的2,3、4、9在8度时弯矩值已经很大,在9度作用下明显屈服了,所以其弯矩比变化也较大。产生以上原因是由于结构在普通延性抗震时,当发生屈服后其刚度显著下降,相应的结构抗力降低,所以随位移增大,内力响应增大的幅度减小;而采用铅芯橡胶支座后的结构由于未屈服,所以其抗力仍然是随着位移增大而线性的增大.内力响应增大较多,由此可见,采用位移来衡量铅芯橡胶支座的减震效果相对要好一些。

在不同地震波作用下,变化铅芯直径后,其墩顶加速度与采用普通支座肛的比值见图5。从图5可见,随着铅芯支座中铅芯:变径的增大,减震效果非常明显。这主要是由于随着铅芯直径的增大,支座的滞回耗能能力随之增大,提供的阻尼增大。隔震前后的梁体位移比(图7)显示,随着铅芯的增大,梁体位移显著降低,但是在铅芯为60mm和70mm的梁体位移比变化已经很小了。

为了限制结构地震瞢载作用下的动力响应值,减隔震体系应当具有良好的耗能性能。如果铅芯橡胶支座的初始刚度太小或者是屈服力太小,减隔震装置象一个线性弹簧一样,其刚度接近隔震体系的屈服后刚度。同时,如果屈服力太低,减震装置在正常使用荷载作用下,就会发生屈服,且减震装置的初始刚度太低,结构的基本周期有可能会落在风荷载可能引起共振的范围内,最终使铅芯支座发生屈服,所以当铅芯较小时,减震性能如同板式支座一样,并不理想。相反.如果铅芯支座的屈服强度太大,隔震体系的刚度就象一个刚度等于初始刚度的线性弹簧,不利于延长结构的周期,降低结构的响应,体现为结构的响应降低的幅度随铅芯直径的增大而降低。虽然隔震后桥梁结构墩顶加速度和墩底内力远小于隔震前的情况,但隔震后整个桥梁将会有较大的梁体位移,当梁缝问距较小时可能会引起相邻梁之间的碰撞甚至落梁,为此可以采用提高结构北京减隔震支座的水平剪切刚度,但是同时可以明显发现,随着铅芯的增大墩顶加速值是先降低,然后又有所增大,说明不可一味追求增大铅芯直径。因此,铅芯截面尺寸存在优选的问题,在保证有较好的减震性能前提下,尽可能选取截面较大的铅芯,减小了梁体的位移,起到防止落粱和减小伸缩变形的作用。

采用板式橡胶支座的桥梁,其墩顶位移、粱体位移比以及弯矩比在两类场地都高于铅芯橡胶支座,显示了在不同截面刚度的情况下.铅芯支座的良好减震性。可见,对于不f≈的地震波,结构的反应有很
大的区别.随桥墩刚度的变化规律也不同,因而铅芯支座的减震性能也不同。这主要是:不同的地震波由于卓越周期的不同,反映到结构响应上也就体现为不同自振特性的结构的动力响应的差别;此外,对采用延性抗震的普通支座桥梁,桥墩的位移值受截面刚度增大的影响很大,其位移变化的幅度要大一些。而采用铅芯橡胶支座的桥墩,其墩顶位移变化幅度相对要低,因此在墩高支座参数一定的情况下,增大截面刚度,并不一定能有效提高结构的减震幅度。

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