强震作用下LRB规则连续梁桥简化设计方法研究

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第35卷，第4期公路工程VO1．35．NO．42010年8月HighwayEngineeringAug．，2010强震作用下LRB规则连续梁桥简化设计方法研究刘阳，刘文光，何文福，郑士杰(1．，州大学土木工程学院，广东广州510006；2．上海大学土木系，上海200072)[摘要]基于等效线性方法及等效塑性铰理论，根据铅芯橡胶支座(LRB)规则连续梁桥的动力特性以及强震作用下隔震支座和桥墩非线性特征将规则连续梁桥结构简化为单自由度体系，并对于体系的等效刚度及等效阻尼比进行了估计。选取主梁位移及桥墩墩顶位移作为目标位移，利用修正的长周期高阻尼位移反应谱进行了基于位移的桥梁抗震设计。最后给出了设计实例，设计结果与采用SAP2000计算的弹塑性时程分析结果比较满足工程精度要求，适用于具有不同性能水平下的规则型LRB隔震桥梁的初步分析和设计，可以为强震作用下LRB隔震桥梁地震反应分析提供参考。[关键词]LRB规则连续梁桥；简化设计；等效线性化法；修正位移反应谱[中图分类号]U448．215[文献标识码]A[文章编号]1674—0610(2010)04—0089—05SimplifyDesignMethodofLRBIsolatedBridgesubjectedtoStrongEarthquakeLIUYang，LIYWenguang一，HEWenfu，ZENGShijie(1．SchoolofCivilEngineering，GuangzhouUniversity，Guangzhou，Guangdong510006，China；2DepartmentofCivilEngineering，ShanghaiUniversity，Sanghai200072，China)[Abstract]Basedontheequivalentlinearmethodandtheequivalentplastichingetheory，regularcontinuousbridgestructureissimplifiedasthesingledegree--of-freedomsystemaccordingtothedynamicperformanceoftheleadrubberbearing(LRB)isolatedbridgeandnon—linearcharacteristicofLRBandpierwhenLRBisolatedbridgeexperiencestrongmotion，andtheequivalentstiffnessanddampingratioofthesystemareestimated．Thedisplacementofgirdandtopofpierarechoosedastargetdisplacement，anddisplacement—basedseismicdesignispresentedbyusingthereviseddisplacementresponsespectrumwhichhaslongperiodandhighdamping．Finally，designexampleisshown，andcomparedwiththede—signresultandtheelastoplasticitytimehistoryanalysisresultusingtheSAP2000computation，itsatisfiesprojectaccuracyrequirement，andissuitableforpreliminaryanalysisanddesignofregularLRBisolatedbridgeunderthedifferentperformancelevel，andcanprovidethereferenceforearthquakeresponseanal—ysisofregularLRBisolatedbridgeuDderstrongmotion．[Keywords]Leadrubberbearingregularcontinuousbridge；Simplifydesignmethod；Equivalentlinear：Thereviseddisplacementresponsespectrum近年来，随着隔震技术的发展及其在工程结构比的矮墩规则连续梁桥。周锡元根据隔震结构的特中的大量使用I2，对隔震结构的简化分析方法引点对规则隔震连续梁桥进行了简化分析，在线性范起了研究人员的关注，并已取得一定进展。连续梁围内考察了简化模型参数对动力特性的影响，但桥在实际工程中应用广泛，研究人员重点研究了连是不适用于非线性变化的非规则结构。郑越、黄建续梁桥的简化分析模型，如杨玉民等建立了连续梁文在线性变化的基础上探讨了非线性变化的隔震桥桥考虑下部结构非线性响应与上部结构共同作用的梁及柱式桥墩的简化分析模型，前者采用等效线性简化计算模型，黄小国等建立了连续梁桥考虑桥分析方法将隔震桥梁简化为双线性单自由度，没墩扭转刚度的简化等效模型，但仅限于梁墩刚度有考虑桥墩的非线性变化，后者引入等效塑性铰长[收稿日期]2010Ol一1O[作者简介]刘阳(1985一)，男，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事桥梁工程抗震研究。 90公路工程35卷度的概念建立了柱式桥墩的弹塑性简化分析模状态下，当主梁质量远大于桥墩质量或桥墩较刚时，型。文献[5—6]均考虑了下部结构的质量、刚度可以认为双自由度模型以隔震模态为主，但当桥墩和阻尼对整体的结构影响，相对于将下部结构简化较柔时，不可忽略桥墩振型模态，而全桥动力特性取为刚性体的单自由度体系有所改进，但是对于可能决于质量分布、刚度分布及阻尼比分布；当进入非线进入非线性的桥墩的变形没有深入探讨，精确把握性状态，位移延性对体系动力反应发挥关键性作用。下部桥墩的位移对于全桥的阻尼比估计有重要意1．2运动方程及相关参数义。采用等效线性法简化在分析地震反应时，会受建立线性双自由度的运动方程：地震波及结构特性的变化而产生误差，文献[7]采用的等效塑性铰长度简化方法也反映出模型精度对Cb_c6结构特性及地震波特性的敏感。虽然对于不同的地++Cbp震波及不同的桥梁结构，会带来一定误差，但是从工程适用的角度来看等效的分析方法和分析模型对于初步设计还是有一定实用和参考价值的。对于复杂一强地震动作用下的隔震桥梁结构地震反应，选择合适的隔震桥梁简化分析模型则具有重要意义，对于强地震作用下的隔震桥梁结构支座、桥墩都有可能进入非线性变化状态，如何刻画其地震反应状态是值得深入研究的问题。本文在前人研究的基础上，丌／i(kb+kp+]+一利用等效线性分析法，对等墩高规则连续梁桥简化设计方法进行了探讨。1隔震桥梁简化分析模型÷)1．1简化分析原理振型模态比：铅芯橡胶支座具有隔震耗能的作用，设置支座％U(2)()kb的连续梁桥一般可以延长结构周期，减小地震反应，(1)kp+6一mp；使上部结构梁处于弹性状态，同时可以减小惯性力阻尼矩阵无法满足对角阵时，规则隔震桥梁，双对下部桥墩的损伤。目前基于性能的抗震设计主要自由度体系振型阻尼比可以表示如下[83：是以位移延性作为性能指标实现控制多级性态的破mb坏模式，所以简化分析必须与位移延性联系起来。+舞]若定位桥墩损伤仅出现于墩底位置，即塑性铰仅出tj现在墩底塑性区位置，则根据能量等效的原理，桥墩结构的杆系模型一般可以简化为单自由度，即可以将构件的弯矩一曲率关系转化为墩顶的剪力一位移根据结构特性参数的不同组合及模型应用的需关系，另外，在地震作用下，主梁应变较小，可以近似要简化方法有所不同，本文试图实现双自由度向单为刚性体，质量集中于支座处，按此原则全桥结构可自由度的转化。双自由度体系，选择合适的等效刚以简化为双自由度模型，见图1。研究表明，线性度、等效阻尼、等效质量可以将其简化为单自由度体系。估计单自由度体系的等效刚度及等效阻尼比已有很多研究，等效刚度的形式较多，但各种形式的估计相差不大，一般等效刚度以割线刚度估计，如双线性体系的等效刚度如下：铅芯橡胶隔震支座恢复力模型常以双线性表图1隔震桥梁简化分析模型Figure1Simplifyanalysismodelofisolatedbridge示，其等效阻尼比的估计可参考符合实测数据的美 第4期刘阳，等：强震作用下LRB规则连续梁桥简化设计方法研究91国CAL规范，如下式：点，一般认为结构屈服位移比较稳定，故本文也从屈服位移出发。对于隔震桥梁结构简化设计的过程如：=0．0587(6—1)”下：关于钢筋混凝土桥墩的等效阻尼比研究较多，①初步拟定桥墩截面形式、桥墩高度、上部结这里采用Takeda模型，其等效阻尼比为构质量及材料参数(钢筋屈服强度、钢筋混凝土1—02—0Lp／恤p一仪pp：：e=—0．05+—————弹性模量、混凝土轴心抗压强度)仃②确定目标位移，即等效单自由度位移A=△当简化为双线性单自由度体系时，等效阻尼按+△，其中隔震支座的目标位移为△，由隔震支座第一振型阻尼比确定，按照地震时两个体系动P能6p一～—I—和l后e+％，6pD性能及实际工程需要确定，桥墩墩顶的目标位移为基底剪力相等的条件，可以推导出子结构的等效质△，隔震支座及桥墩墩顶目标位移均需满足极限状量。双线性的第一刚度及第二刚度以桥墩等效刚度态限值要求，由地震作用下性能要求确定。和隔震支座的两刚度分别组合。③根据隔震支座和桥墩的目标位移及位移延kbUpkbUpOtb+一+，Pp—一ep性，估计等效刚度及等效阻尼比，由等效刚度及质量确定等效周期，将等效周期及等效阻尼比带人改进位移谱确定等效位移，则满足收敛准则继续下一步，式：若不满足则需要调整隔震支座参数及桥墩截面参⋯数。④根据桥墩有效刚度及位移确定墩底剪力及当简化为等效线性单自由度体系时，对于等效弯矩，确定是否满足抗剪及抗弯要求。刚度的计算，本文选择了2种方法：⑤更新并校核隔震支座及桥墩目标位移，使其①以隔震支座及桥墩的等效刚度进行组合；满足各性能水平下的极限值。=3算例分析为分析方便，仅考虑规则连续桥梁单墩模型，待b‘D设计的钢筋混凝土连续桥梁参数如下：上部结构集中质量W=300t；纵筋II级，=340MPa；箍筋I级，^=240MPa；混凝土C30，fc=21．0MPa；弹性②以桥墩等效刚度和隔震支座的两刚度分别模量，钢筋E：2．1X10MPa，混凝土E：3．0×组合，然后取割线刚度；10MPa，纵向钢筋的屈服应变取为0．002。假定场地类别为II类，设计分组为第一组，T=0．35S。：设计过程：[1+Ot6(6—1)】kbk；①设计桥墩的截面为圆形截面且直径D=1100mm。[1+Otb(6—1)】k6+IX6k；②设计的桥墩墩顶位移应根据桥墩曲率及结2基于位移反应谱的隔震设计过程构可能承受的极限位移来计算。对于圆形截面桥墩，可以按下式近似估计墩底屈服曲率：本文从加速度修正着手以避免因低估阻尼比而由y2·45ey，D造成位移过大的思路，借鉴日本修正长周期高阻尼其中为纵筋屈服应变，D为圆形截面直径的加速度反应谱来修正位移谱。如下式为(5Tz