近断层地震动作用下铅芯橡胶支座隔震连续梁桥结构响应分析

论文总字数：29326字

摘 要

本文选取近断层地震的地震波数据，研究铅芯橡胶支座隔震连续梁桥在近断层地震动作用下的地震响应。

近断层地震是近年来地震工程与结构工程领域研究的热点问题之一。由于近断层地震具有上盘效应、永久地面位移效应、速度脉冲效应、方向性效应、集中性等特性，其产生的结构响应与常规地震有显著的区别。本文通过Sap2000建立连续梁桥模型并进行时程分析，比较近断层地震与远场地震对桥梁结构造成的不同影响。通过对比分析，本文发现近断层地震容易增大桥梁结构的地震响应，无论是使用普通支座还是铅芯橡胶隔震支座，近断层地震作用下的桥梁地震响应都比远场地震作用下的响应大。近断层地震对结构变形的影响比内力的影响更大，而且，在近断层地震作用下铅芯橡胶支座更能发挥其隔震效果。

然后，本文又通过控制变量法改变铅芯橡胶支座的两个参数，得出铅芯橡胶支座的屈服剪力和屈服后刚度比对支座隔震性能的影响规律：增加铅芯橡胶支座的屈服剪力，会降低支座的隔震效果；随着屈服后刚度比的增大，支座的隔震效果也会有一定幅度的降低。

本文通过理论介绍、有限元建模、时程分析，并经过一系列的对比，得出了地震波以及支座参数对铅芯橡胶支座连续梁桥隔震效果的影响规律，这对于工程中的抗震设计与支座设计具有一定的指导意义。

关键词：近断层地震动；铅芯橡胶支座；结构响应

Abstract

The paper selects the seismic waves of near-fault ground motions to study structure response of base-isolated continuous girder bridges using lead-rubber bearing in near-fault ground motions.

In recent years, near-fault ground motions have become a hot topic in earthquake engineering and structural engineering. Due to hanging wall effect,fling-step effect, velocity pulse effect,directivity effect,concentration of near-fault ground motions and other characters,the structure response it produces has significant differences from ones that far-field earthquake produces.Based on time history analysis of continuous bridge model established by Sap2000, the paper compares the effects on the structure response that near-fault ground motions produces with ones that far-field earthquake produces,and find the seismic response of bridge structures subjected to near-fault earthquakes is likely to increase. Whether using the regular or lead rubber bearing isolators,seismic response of bridge under near-fault earthquakes is larger than the far-field seismic response. The influence of near-fault earthquakes on the structural deformation is greater than the force of impact and lead rubber bearing under near-fault earthquakes can give full play to its isolation.

Secondly, by controlling variables,the paper changes the two parameters of lead-rubber bearing to obtain the law of effects on seismic behavior by changing yield shear and post yield stiffness ratio of lead rubber bearing. Increasing the yield shear force of lead-rubber bearing will affect the isolation effects of the support,with the increase of yield-stiffness ratio.Base isolation effects will also  be affected.

Through theoretical descriptions, three dimensional modeling,time history analysis,and a serious of comparison, the paper draws the roles of effects of the continuous girder bridge on which seismic waves and parameters of lead rubber bearing make. The roles have great signification on seismic design and bearing design.

Key words:Near-fault ground motions; Lead-rubber bearing; Structure response

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题的背景及意义 1

1.2 减隔震技术概况及铅芯橡胶支座简介 1

1.2.1 减隔震技术基本原理 1

1.2.2 减隔震支座的发展及现状 2

1.2.3 铅芯橡胶支座简介 2

1.3 本文的主要研究内容 4

第2章 近断层地震特性简介及地震波的选取 6

2.1 近断层地震的概念 6

2.2 近断层地震的主要特征 6

2.2.1 上盘效应 6

2.2.2 永久地面位移效应 7

2.2.3 速度脉冲效应 8

2.2.4 方向性效应 9

2.2.5 近断层地震动的集中性 10

2.3 地震波记录的选取 10

第3章 远震与近断层地震作用下桥梁的地震响应分析 16

3.1 引言 16

3.2 桥梁概况 16

3.3 模型的建立 17

3.4 桥梁的模态分析 17

3.4.1 隔震前的模态分析 17

3.4.2 隔震后的模态分析 19

3.4.3 结论 20

3.5 远震与近断层地震作用下桥梁的地震响应分析 21

3.5.1 远震作用下桥梁的地震响应分析 21

3.5.2 近断层地震作用下桥梁的地震响应分析 24

3.5.3 远震与近断层地震作用下桥梁的地震响应比较 27

第4章 隔震支座参数对桥梁地震响应的影响 31

4.1 引言 31

4.2 支座参数的选取 31

4.3 动力时程分析 31

4.3.1 支座屈服剪力对桥梁地震响应的影响 31

4.3.2 支座屈服后刚度比对桥梁地震响应的影响 36

第5章 总结和展望 42

5.1 总结 42

5.2 展望 42

参考文献 44

致谢 45

第1章 绪论

1.1选题的背景及意义

地震作为常见的自然灾害，对于人类的生命及财产安全构成了极大的威胁。自上世纪九十年代以来曾发生过多次破坏力巨大的地震，比如1994年美国6.7级Northridge地震、1995年日本7.2级Kobe地震、2008年汶川8.0级地震、2011年日本9.0级的东日本大地震和刚刚发生不久的尼泊尔地震。随着科技的发展，人类对于桥梁隔震的研究在不断深入，并且已经产生了许多卓越的研究成果^[1-3]。

人类对抗地震的过程，简单地说可分为三个阶段：第一阶段是抗侧力系数法，主要内容是应用静力理论，靠采用刚度较大的建筑结构，即“刚性结构体”来抵抗地震对结构的侵害；第二阶段是随着强震仪的产生、强震记录的收集以及计算方式的发展，50年代初出现了地震反应谱分析法，这时人们已经开始考虑地震与结构动力特性之间的关系并提出了“延性结构体系”，即适当控制结构体系的刚度，使结构具有较高的延性从而在地震发生时耗散地震的能量，这是目前世界各国都普遍采用的抗震理念；第三阶段，由于延性结构体系不适用于某些重要建筑物对变形的要求，专家们开始转而研究结构控制技术，从此人类抵御地震的理念由“抗”向“导”做出了重大的转变^[4]。

隔震技术又称阻尼隔震技术。隔震技术被美国专家称为“40年来世界地震工程最重要的成果之一”。隔震即隔离地震，就是在建筑物或者构筑物的基底或其他位置设置隔震装置，从而隔离或耗散地震的能量，以避免或减少地震能量传输到上部结构，进而减轻结构震害。使用隔震技术，建筑物或构筑物只发生较轻微的运动，变形量较小，从而保障发生地震时建筑物或构筑物能够免遭破坏。隔震技术一开始用于建筑领域，后来才应用于桥梁。

虽然在远场地震作用下的隔震桥梁隔震效果良好，但近断层地震可能会降低隔震桥梁的隔震性能。因此，进行隔震桥梁结构在近断层地震作用下的动力响应研究具有一定的理论和实际意义。

本文选取铅芯橡胶支座隔震连续梁桥作为研究对象，选取合适的地震记录，研究其在近断层地震作用下的结构响应。

1.2 减隔震技术概况及铅芯橡胶支座简介

1.2.1减隔震技术基本原理

我国是一个地震多发国家，地震发生频率高、强度大、分布范围广、伤亡多、灾害严重。特别是近年来我国发生的汶川地震、玉树地震等地震灾害，为我们人民留下不可磨灭的印象。与此同时，桥梁作为生命线系统的重要要组成部分，一旦遭到损毁、中断便等同于地震区的生命线被阻断。同时，修复受到破坏的桥梁结果往往具有很大的困难，这将影响抢修恢复交通线的进度，从而严重影响救灾工作的开展。在经历过这些地震灾害之后，基于桥梁抗震设计的结构控制技术开始在我国桥梁工程界得到日益重视，国内有关部门积极展开了桥梁减隔震设计及研究工作。

对于地震的侵害，传统结构设计采用的设计思想是“抗震”，即主要考虑提高结构抵抗地震作用的能力。一般来说，通过正确的“抗震”设计可以保障结构的安全性，防止结构遭到整体破坏或者倒塌。然而，结构构件的损伤却不可避免。在这些情况下，靠结构自身抗震能力来抵抗地震作用非常困难。因此，我们必须寻求更加高效的抗震措施，例如基于减隔震装置的结构控制技术。

应用结构控制技术，不仅可以提高结构的抗震能力，还可以降低造价，从某种意义上来说，这是解决实际结构抗震问题的唯一有效的途径。对于桥梁或建筑结构，目前发展相对成熟、实际应用较为广泛的技术是减隔震技术。减隔震技术是一种简便、有效的结构抗震手段。

1.2.2 减隔震支座的发展及现状

为了减小地震引起的桥梁结构的破坏，各国专家对桥梁结构的减隔震技术进行了广泛而深入的研究，并且取得了大量的研究成果。研究成果表明：对于桥梁结构比较容易实现并且有效的隔震方法是采用隔震支座。在日本、美国、新西兰等许多国家的桥梁都设置了隔震支座，并取得了良好的效果。

由于橡胶支座能通过剪切变形使上、下部结构的地震运动隔离，且具有构造简单、加工制作方便、用钢量少、成本低廉、安装快捷等优点，因而成为应用最广泛的隔震支座。目前，国内常用的橡胶类隔震支座主要有天然橡胶支座、高阻尼橡胶支座以及铅芯橡胶支座。

铅芯橡胶支座是在一般板式橡胶支座的基础上在支座中放入铅芯，以改善橡胶支座的阻尼性能的一种隔震支座，其具有隔震效果显著、适用范围大等特点。目前，铅芯橡胶支座已在我国广泛应用。

1.2.3 铅芯橡胶支座简介

铅芯橡胶支座（LRB）是在橡胶支座的中心压入铅芯构成的一种橡胶支座。铅芯压入后与橡胶支座融为一体产生剪切变形，这种支座是由橡胶支座的复原装置和铅的能量吸收装置所构成的阻尼机构一体型的隔震装置。铅芯橡胶支座是最早用于隔震结构的支座类型之一，它凭借优良的力学性能以及简单的构造和较高性价比，已经在工程上获得广泛的应用。从形状上铅芯橡胶支座可以分为矩形铅芯橡胶支座和圆形铅芯橡胶支座，其基本结构如图1-1所示。

图1-1 铅芯橡胶支座基本结构

铅芯橡胶支座的竖向荷载的传递过程是梁体→上预埋钢板→上连接钢板→上封板→橡胶、铅芯、加劲钢板叠层结构→下封板→下连接钢板→墩台。

铅芯橡胶支座的地震水平荷载的传递过程是墩台→下锚固组合件→下连接钢板→剪切键、下封板→橡胶、铅芯、加劲钢板叠层结构→上封板、剪切键→上连接钢板→上预埋钢板→通过上锚固组件传递到梁体。

铅芯橡胶支座有以下优点：

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