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隔振桥梁在地震反应上关于桥墩的影响
摘要：通过弹性轴承和滑动系统隔离的桥梁的地震反应在两个水平下进行了研究。所选择的桥梁由支撑在码头和基台上的多层连续甲板组成。通过考虑分析地震反应考虑了隔离桥三种不同的数学模型。提出了不同隔离系统隔离的桥梁各种数学模型的地震反应分析数学公式。通过比较不同系统参数和地震动作下的响应，研究了各种数学模型的隔离桥梁的精度和计算效率。选择的重要参数是甲板，码头和隔离系统的灵活性。 不同模型所需的计算时间有显着差异，但是观察到从不同的等效数学模型获得的桥梁的地震响应甚至对于不对称桥梁也是非常可比的。 因此，通过将其模拟为单自由度系统，即可以有效地获得地震隔离桥梁的地震响应，又考虑到在两个水平方向上隔离系统上支撑的桥墩和甲板是刚性的。
CE数据库主题标题：隔离; 桥甲板 地震效应; 数学模型;地震
介绍
桥梁是生命线结构,它们是地面运输网络的重要环节。地震事件中的失败将严重阻碍救援和恢复工作。在全世界所有过去地震都有桥梁受损的情况很多，由于其结构简单，桥梁特别容易受到损坏，甚至在遭受地震动作时甚至可能会崩溃。大多数桥梁的基本振动周期在0.2至1s的范围内。在这个范围内，结构响应很大，因为它接近地震引起的地面运动的主要时期。
如果桥梁的基本周期延长或能量消散能力增加，桥梁上的地震力可以减小。因此，隔震是桥梁抗震设计的有希望的替代方案。在典型的隔离桥中，使用特殊隔离装置代替传统的桥式轴承。这些轴承通过限制水平加速度的传递并通过阻尼消散地震能量来保护子结构。过去二十年来，Kunde和Jangid 2003. AASHTO为现有桥梁开发改进的新型桥梁的抗震隔离设计程序和综合改造指南已经作出了相当大的努力，并在1999年提供了具有隔震装置的桥梁的设计指南和规范降低地震力的影响，提供同等水平的地震安全性最经济的桥梁设计。已经有几项研究调查了桥梁抗震设计隔离装置的有效性。 Ghobarah和Ali在1988年，Li1989年和Turkington et al1989年已经表明，铅橡胶轴承在减少桥梁的地震反应方面是非常有效的。 Constantino 在1992年和Tsopelas在 1996年对滑动隔离系统隔离的桥梁的地震反应进行了分析和实验研究，并发现这种装置非常有效。Hwang and Sheng和Hwang and Chiou对等效弹性系统的隔离桥梁的特定有效刚度和等效阻尼比进行了评估，并提出了等效周期移位和等效阻尼比计算的经验公式。 Chaudhary et al2001年提出了从基地隔离桥梁上记录的地震加速度确定系统参数，以检查桥梁各部件的性能。最近，Jangid在2004研究了由铅橡胶轴承隔离的桥梁的双向响应，表明轴承恢复力的双向相互作用对隔离桥梁的地震反应有相当大的影响。 要注意的是，在所有这些研究中，通过考虑不同类型的数学模型已经证明了各种桥梁的隔震系统的有效性。因此，研究用于隔离桥梁地震分析的各种数学模型的比较和计算效率将变得非常有趣。
在这里，通过考虑地震运动的两个水平分量下的各种数学模型来研究地震隔离桥梁的响应。本研究的具体目标是：1，针对不同隔离系统隔离的桥梁各种数学模型进行地震反应分析的配方; 2，通过比较他们的反应来研究各种隔离桥梁数学模型的准确性和计算效率; 并研究了系统参数对各种数学模型效率和不同地震动作下地震隔震效果的影响。 选择的重要参数是甲板，码头和隔离系统的灵活性。
隔离桥结构模型
图1 地震隔离桥一般高程
图1显示了由一排隔离轴承支撑的多层连续甲板组成的桥梁的总体高程。桥梁的子结构由刚性基台和钢筋混凝土墩构成。 提供隔离轴承代替桥接和码头位置处的上层建筑和底层结构之间的传统桥梁轴承。该结构系统由下面描述的三个数学模型理想化
隔离桥梁的各种数学模型：a 1型; b型2; 和c模型3
隔离桥系统的数学模型1如图1所示。 2，考虑到桥梁上部结构以及码头的灵活性。 这是一个集体质量模型，将甲板和码头理想化为梁单元。 该模型已由Ghobarah和Ali在1988使用，Turkington等人 在1989，Wang et 在1998年，Tongaonkar and Jangid2003年，以及Jangid 2004年对孤立桥梁的地震分析。 对隔离桥梁模型的地震分析进行了以下假设：
1假设地震激发期间，桥梁上部结构和码头保持弹性状态，合理的假设是隔离试图以结构保持在弹性范围内来减小地震响应;
- 上层建筑和下层结构都被建模为集中质量体系，分为多个小的离散段; 每个相邻的段由节点连接，并且在每个节点处两个自由度被视为参考图。2(a); 假设每个段的质量以点质量的形式分布在两个相邻节点之间;
- 路边，护栏墙，外套等非结构元件的刚度贡献被忽略; 然而，他们认为大量生产惯性力;
- 桥墩刚刚固定在坚固的土体或岩石上，地震激发在所有的支撑下完全相关;
- 隔离系统是各向同性的，意味着在两个正交方向上具有相同的动态特性; 此外，提供在码头和基台处的轴承具有相同的动态特性;
- 隔离桥梁系统经受地震，地震动的两个水平分量; 由于水平和垂直分量通常是不相关的，因此地震运动的垂直分量不被考虑。
- 隔离桥系统的运动方程如图1所示。 2，地震运动的两个水平分量以下列矩阵形式表示
分别为2Ntimes;2N的桥梁结构的M，C和K质量，阻尼和刚度矩阵，和结构加速度，结构速度和结构位移矢量; D隔离系统恢复力的位置矩阵；包含隔离轴承恢复力的F矢量; R；影响,系数矩阵;地震加速度矢量分别为纵向和横向的地震加速度;和xi和yi。在桥梁的纵向和横向上分别位移第i个节点。质量矩阵具有对角线形式。梁和墩的刚度矩阵分别构造，然后进行静态凝结以消除。旋转自由度。甲板和码头的阻尼矩阵未明确知道，并且使用其模式形状和频率由每种振动模式中的假设模态阻尼构成方向。 质量矩阵具有对角线形式。单独构造梁和墩的刚度矩阵，然后执行静态冷凝以消除旋转自由度。 甲板和码头的阻尼矩阵不是明确知道的，并且使用其模式形状和频率在每种振动模式中由假设的模态阻尼构成
型号2
隔离桥系统的第二个等效数学模型如图1所示。2b（2） 模型1的相同的理想化和假设是正确的，除了甲板被做成刚体。 这个假设允许甲板仅在装载方向上移动。 在地震动两个水平分量下，该系统的运动方程与方程式中给出的相同。1-3。 该模型与Li，Tsopelas等人使用的桥梁模型一致。表1.各种桥梁的动态特性。
桥梁桥梁1桥梁2
跨度长度m 3在30 3 30
码头高度m 8 10
码头形状
横截面面积
甲板m2
3.57 3.57
横截面面积
码头m2
4.09 1.767
甲板惯性矩
在横向m4
2.08 2.08
码头的惯性力矩
纵向m4
0.64 0.110
码头的惯性力矩
在横向m4
0.64 0.438
码头基本时间段
在纵向方向
0.1 0.245
码头基本时间段
横向方向
0.1 0.123
杨氏弹性模量？GPa 20.64 20.64
质量密度kg / m3 2.4103 2.4103
非隔离的基本时间段
桥梁纵向方向
0.45 1.5
非隔离的基本时间段
横向桥梁s
0.45 0.75
图3。 各种隔离系统的示意图和数学模型：高阻尼橡胶轴承; 铅笔橡胶轴承; 和c摩擦摆系统F
图4 桥梁1的隔离器位移，码头基础剪切和甲板加速度的时间变化，由HDRB系统隔离，经过1995年神户地震地面运动？Tb = 2 s，eff = 0.1
图5.桥梁1的隔离器位移，码头基础剪力和甲板加速
度的时间变化，由LRB系统隔Tb = 2.5s，F0 = 0.05
图6.由FPS系统隔离的桥梁1的隔离器位移，码头基础剪力和甲板加速度的时间变化。
受1995年京都地震地震动的影响？Tb = 2.5 s？= 0.05
表2.不同型号的桥1分析所需的计算时间
归一化计算时间t / tE
隔离 ———————————————
系统 模型1 模型2 模型3
—————————————————————————————————————
HDRB 122 10 1
LRB 153 11 1
FPS 2475 27 1
__________________________________________________________________________
T=考虑方法的CPU时间 和te=模型的CPU时间
模型3
模型3是一种新的简单的数学模型，在本研究中提出的单独自由度用于隔离桥梁系统的地震分析，如图1所示。2c在这个模型中，甲板和码头被认为是一个刚体。 这是基于以下事实：在隔离桥梁系统中，灵活性主要集中在隔离系统中，桥面和桥墩几乎与刚体相似。 该系统在地震运动的两个水平分量下的运动方程由两个水平方向的单自由度系统组成。
隔离系统的力变形特性
特定安排和隔离系统类型的适用性将取决于许多因素，包括跨度长度，连续跨度数目，区域地震活动，地震相对严重的组成部分的振动频率以及维护和更换设施。该设计的隔离系统主要由国际建筑官员会议发布的“国际基准组织”。 此外，美国还有另一个地震隔离规则 国家地震危害减少计划NEHRP，由FEMA 1997a出版的“建筑物地震修复指南”。FEMA1997年的规定与ICBO 1997的规定非常相似。 这些规范强调，基础隔离结构的位移集中在基础隔离水平，并且上部结构几乎作为刚体移动，并且被设计为在设计位移时使用隔离系统的有效刚度计算的力。可以使用等效的静态分析程序来设计轴承和上层建筑。 对于本研究，考虑三种常用的隔离系统来研究比较性能。三个地震隔离桥梁的数学模型。 各种隔离系统的力 - 变形特性定义如下。
表3.具有隔离和非隔离条件的桥1的峰值响应量
高阻尼橡胶轴承
高阻尼橡胶轴承？HDRB基座隔离系统是相当普遍的系统，由交替层中的特殊橡胶和钢筋补强垫片组成。 通常，HDRB系统由于添加化合物，水平柔性和高垂直刚度而表现出高阻尼能力。许多用于HDRB的非线性力学性质的数学模型已经以令人满意的精度展开在本研究中，采用了代码指定的等效线性粘滞模型。 应当注意，隔离系统的等效线性模型非常简单，并且通常预测除了一些典型的隔离器参数之外的准确结果。HDRB系统的恢复力Fbx和Fby表示为
其中kb和cb相应的水平刚度和粘滞阻尼分别为： xb和yb相对承载速度; 和xb和yb轴承的x和y方向的相对位移。 HDRB系统所需的刚度和阻尼被设计为提供隔离周期Tb和有效阻尼比eff定义为T
其中md为桥面的质量; kb为轴承的总刚度 cbHDRB的总有效粘滞阻尼; 和beta;b=2pi;/Tble;隔离频率。
铅橡胶轴承
铅橡胶轴承？LRB由低阻尼天然橡胶与钢板和中心引线芯组成。 LRB系统的磁滞回线通常由许多周期的双线性稳定建模，如图1所示。Park等人提出的耦合微分方程对LRB系统的非线性恢复力进行建模。 1987年，曾经被使用过。
其中分别在x和y方向的恢复力的Zx和Zy？滞回位移分量; ②后屈曲刚度比alpha;，使得轴承的beta;-beta;#39;后屈服刚度; 和Fy屈服力。滞后位移分量Zx和Zy满足以下耦合非线性一阶微分方程。
gnum功能。 LRB轴承的力 - 变形行为可以通过适当选择参数alpha;，，和A来建模。轴承的性能通常设计为隔离周期的规定值Tb和归一化屈服强度F0。 参数Tb从公式 ⑤基于轴承的后屈服刚度。 参数F0定义为
其中Fy LRB的总屈服强度; Wd = mdg 甲板的重量; 和g 因重力加速。 LRB的滞后回路的参数值取为qge;2.5cm，A 1和= = 0.5，并且在整个研究中保持不变。
摩擦摆系统
擦摆系统；FPS使用几何和重力来实现所需的地震隔离，Zayas等人 FPS系统支持的结构对小幅度摆动运动的地震运动做出了响应。 摩擦阻尼吸收了地震的能量。 FPS系统的示意图如图1所示。
其中Fx和Fy分别在x和y方向上的摩擦力; 并且由FPS的曲率提供的kb = Ws / R#39;刚度; FPS轴承的重量; 和FPS球面的R#39;半径。FPS系统在滑动之前可能受到的
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