胡紫東，李 黎，聶肅非

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢 430074;2.華中科技大學(xué) 控制結(jié)構(gòu)湖北省重點實驗室，武漢 430074)

鉛芯橡膠支座(LRB)具有有較好的效能減震性能，在橋梁工程領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但由于橋梁中使用的鉛芯橡膠支座裸露在外部環(huán)境中，受周圍環(huán)境溫度的影響，其力學(xué)性能有所變化［1］。早在上個世紀(jì)80年代，Thomas［2］就提出在LRB隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計中應(yīng)考慮溫度的影響。Nakano［3］通過隔震橋梁的振動臺實驗，分析了寒冷地區(qū)隔震橋梁的地震響應(yīng)，進一步驗證了溫度對隔震橋梁的影響。關(guān)于LRB的溫度相關(guān)性的研究主要有兩方面:一方面是通過實驗研究，主要有擬靜力試驗和振動臺試驗;另一方面是通過支座的能量轉(zhuǎn)換進行理論分析研究。在試驗研究方面:尹維祥［4］和李慧［5］等研究了GZY300在-20℃ ～-50℃的低溫環(huán)境下的力學(xué)性能，并給出了不同溫度下支座的擬靜力試驗曲線，得出了LRB在低溫環(huán)境下，其剛度與常溫下的剛度有較大偏差的結(jié)論。Ghasemi和Higgins［6］通過擬靜力實驗研究了無鉛芯橡膠隔震支座的溫度相關(guān)性。由世岐等［7］通過擬靜力試驗對比分析了兩個不同廠家的橡膠支座的低溫力學(xué)性能。Ahn［8］等基于實驗數(shù)據(jù)，通過參數(shù)識別技術(shù)，研究了支座溫度相關(guān)性對隔震橋梁的影響。在理論研究方面Kalpakidis I V和Constantinou［9，10］根據(jù)能量守恒原理，提出了 LRB 的耗能主要是將地震輸入的能量轉(zhuǎn)換為鉛芯和橡膠的熱能。外部環(huán)境不同導(dǎo)致其所耗散能量的速率也不同，因此LRB的力學(xué)性能具有溫度相關(guān)性。

從上述學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)LRB的力學(xué)性能與溫度相關(guān)，而我國的抗震設(shè)計規(guī)范對支座溫度相關(guān)性未做詳細(xì)的論述。為了研究溫度相關(guān)性對隔震橋梁的影響，本文首先以《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》［11］規(guī)定的橋面溫度變化為依據(jù)，通過擬靜力試驗研究了GZY400在溫度變化為-40℃至50℃時對應(yīng)的屈前剛度、屈后剛度和屈服剪力，并給出了以溫度為變量的支座力學(xué)性能的相關(guān)系數(shù)函數(shù)。最后對隔震橋梁在不同溫度環(huán)境下的地震響應(yīng)進行了比較分析，研究成果可直接為橋梁的隔震設(shè)計提供參考。

1 LRB溫度相關(guān)性試驗

1.1 實驗裝置及試件

橡膠鉛芯隔震支座的力學(xué)性能試驗，在華中科技大學(xué)工程結(jié)構(gòu)檢測中心進行。LRB的水平性能試驗采用壓剪裝置如圖1所示，豎向為25 000 kN、水平為±2 000 kN電液伺服加載系統(tǒng)。采用正弦波加載，試驗數(shù)據(jù)通過設(shè)置在加載系統(tǒng)上的傳感器采集。支座的溫控設(shè)備為無錫海軍威試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的CDJ型試驗箱，變溫范圍為-40℃到100℃，溫控精度為0.5℃。溫度箱及試驗支座見圖2。

試驗試件采用GZY400，共兩個，支座的參數(shù)如表1所示。

表1 GZY400支座參數(shù)Tab.1 Parameters of GZY400

1.2 實驗方案及步驟

本試驗的目的為測定1#和2#支座在不同溫度下的屈前剛度、屈后剛度和屈服剪力。支座的溫度控制為 -40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、23℃、30℃、40℃、50℃。實驗步驟:首先把1#，2#同時支座放入溫度箱，調(diào)整溫度箱的溫度到目標(biāo)溫度，保溫24 h。然后用絕緣棉墊套住，迅速搬運至圖1所示的電液伺服加載系統(tǒng)上，進行水平性能試驗。在不同溫度下水平性能試驗時，保持豎向荷載12 MPa不變，支座水平位移為γ=100%，每次試驗循環(huán)3次。屈前剛度、屈后剛度和屈服剪力的測定遵循《橋梁隔震橡膠支座》的相關(guān)規(guī)定［12，13］這里不再累述。

1.3 實驗結(jié)果

由于篇幅限制這里僅列舉了1#和2#支座在溫度為 -40℃、-20℃、0℃、23℃、30℃和 50℃下的滯回曲線，如圖3所示。為了更好的比較分析，圖3中實線為不同溫度下的滯回曲線，虛線為相應(yīng)支座在23℃時第三次循環(huán)的滯回曲線。從滯回曲線的對比可以發(fā)現(xiàn)，支座在-40℃至0℃的環(huán)境下，支座的屈前剛度、屈后剛度和屈服剪力有明顯不同;而在23℃至50℃的環(huán)境下，變化不大。圖4為1#、2#支座在不同溫度下的力學(xué)性能與常溫下的力學(xué)性能的比值。圖4中紅線為兩個支座力學(xué)性能平均值的擬合曲線。從擬合曲線的變化趨勢可以看出，隨著溫度的增高，支座的剛度和屈服剪力逐漸減小，從低溫狀態(tài)(-40℃)到常溫狀態(tài)下(23℃)其減小的速度大于從常溫狀態(tài)到高溫狀態(tài)(40℃)。式(1)～式(3)為支座力學(xué)特性平均值通過回歸分析得出的溫度影響相關(guān)系數(shù)函數(shù)。

2 考慮溫度效應(yīng)的LRB隔震橋梁動力分析

2.1 LRB隔震橋梁計算模型

LRB隔震橋梁的計算模型如圖5所示，LRB橋梁的動力方程為:

式(4)是描述墩的動力學(xué)方程，式(5)是描述梁的動力學(xué)方程。在式(4)中mj，xj和Hj分別為第j個墩響應(yīng)的質(zhì)量，墩頂位移和恢復(fù)力;在式(5)中md和xd為梁的質(zhì)量和位移;hj為第j個LRB隔震支座的滯回力為地震激勵的加速度。

橋墩的恢復(fù)力為:

上式中，Cj和xj為第j個墩的阻尼和速度。

LRB隔震支座的滯回力選用Bouc-Wen模型。

基于上述動力學(xué)方程，可將其轉(zhuǎn)換成矩陣形式，然后可采用四階Runge-Kutt法進行求解。

圖5 LRB橋梁計算模型Fig.5 Mode of isolated bridge with LRB

2.2 地震波的選取和模型參數(shù)

地震波的選取按文獻［14］所推薦的強震記錄，來源于PEER強震記錄數(shù)據(jù)庫，共7條，地震波的詳細(xì)信息如表2所示。為了方便比較分析，本文將各條地震波的加速度峰值調(diào)為0.114g。計算時僅考慮沿縱橋向的地震輸入。

表2 地震波記錄的基本特性Tab.2 The basic character of seismic records

隔震梁橋的計算簡圖如圖5所示，計算參數(shù)如表3所示。支座參數(shù)如表1所示。

表3 隔震橋梁計算參數(shù)Tab.3 Parameters of bridges

2.3 LRB隔震橋梁地震響應(yīng)分析

圖6為考慮支座外部環(huán)境為-40℃、-20℃和30℃時的計算滯回曲線與23℃時的計算結(jié)果對比。從曲線的變化趨勢可以看出在低溫環(huán)境下支座的滯回結(jié)果有較大差別，滯回環(huán)的面積較大，支座的相對位移較小，而支座外部環(huán)境為30℃時，滯回曲線幾乎沒有變化。

圖6 LRB滯回曲線Fig.6 LRB hysteresis curve

圖7～圖9為墩頂剪力、梁位移和梁加速度在7條地震波激勵下的最大值平均值隨溫度變化的曲線。由于受支座在不同溫度下力學(xué)性能不同的影響，墩頂剪力隨著溫度的增高而減小，如圖7所示;梁位移隨著溫度的增高先增大，然后基本持平，最后當(dāng)溫度超過30℃后又明顯增大，如圖8所示;梁加速度隨著溫度的增高而減小，如圖9所示。

為了更為直觀地理解由于支座溫度相關(guān)性給隔震梁橋帶來的影響，本文按(7)式計算了不同溫度的計算結(jié)果相對于23℃時計算結(jié)果的誤差絕對值。通過該值可以得出，若隔震橋梁不考慮支座溫度相關(guān)性，其計算結(jié)果與考慮了支座的溫度相關(guān)后的誤差。圖10為隨溫度變化墩頂剪力的誤差，誤差的最大值為21.8%，且當(dāng)溫度低于0℃時，誤差均大于5%(0℃時誤差為7.22%);當(dāng)溫度變化區(qū)間在0℃至50℃時，誤差均不大于5%。圖11為隨溫度變化梁位移的誤差，從圖可以看出，誤差均在5%內(nèi)。圖12為梁加速度的誤差變化，當(dāng)溫度小于0℃時，誤差均在5%以上，且誤差最大值為17.74%(-40℃)。

從圖10～圖12可以看出考慮支座溫度相關(guān)性后，隔震橋梁的響應(yīng)有所不同。在小于0℃的低溫環(huán)境下，墩頂剪力和梁加速度有較大的增幅，此時支座的溫度效應(yīng)影響顯著。而梁位移對支座是否考慮溫度效應(yīng)的影響不大。

3 結(jié)論

本文采用擬靜力試驗研究了-40℃至50℃下，LRB的屈前剛度、屈后剛度和屈服剪力的變化規(guī)律。給出了GZY400的溫度影響相關(guān)系數(shù)函數(shù)。通過試驗滯回曲線可以看出，在-40℃至0℃的低溫環(huán)境下支座的屈前剛度、屈后剛度和屈服剪力均比23℃常溫的試驗結(jié)果大;而在溫度變化為10℃至50℃時，支座的實驗結(jié)果變化不大。

根據(jù)考慮溫度相關(guān)性LRB隔震梁橋的地震響應(yīng)分析，可以得到以下結(jié)論:

(1)受支座溫度相關(guān)性的影響，LRB隔震梁橋的地震響應(yīng)與23℃常溫下的響應(yīng)結(jié)果不同。

(2)考慮支座的溫度相關(guān)性后，墩頂剪力和梁加速度在-40℃至0℃的低溫下，其響應(yīng)較23℃常溫下的響應(yīng)有較大不同，其誤差均大于5%，且溫度越低，誤差越大。因此，在確定墩頂剪力和梁加速度時，支座的溫度效應(yīng)不可忽視。

(3)梁位移受溫度的影響較小，與23℃常溫下的計算結(jié)果相比，誤差普遍小于5%。

［1］周福林.工程結(jié)構(gòu)減震控制［M］.北京:地震出版社，1997.

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［12］GB20688.1-2007.橡膠支座:第1部分 隔震橡膠支座試驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

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