考虑尺寸效应的近海桥梁天然橡胶隔震支座力学性能老化时变规律研究

目前天然橡胶支座（NRB）的性能研究大多未考虑尺寸效应,在前期开展的近海桥梁隔震支座和材料老化时变规律研究的基础上,同时考虑支座直径尺寸变化和老化作用时间的影响对NRB的性能进行研究。首先采用ABAQUS有限元软件对不同直径尺寸NRB的性能进行分析,得到了NRB性能随直径尺寸的变化规律;然后结合前期老化作用对NRB及其橡胶材料性能时变规律的影响研究成果,分析了直径尺寸及老化作用时间共同作用下,NRB性能的变化规律,并通过ABAQUS有限元分析,验证了该变化规律的准确性。结果表明:NRB的水平刚度和竖向刚度均随其直径尺寸的增大呈正比例增大趋势;NRB水平刚度比和竖向刚度比均随老化作用时间的增长呈线性增大趋势;且直径为150mm的NRB在实际环境老化60a后,其水平刚度和竖向刚度的增长幅度分别为:30.8%和16.41%,由此可见老化作用时间对NRB水平刚度的影响较显著,对其竖向刚度的影响较小。研究内容可为隔震桥梁结构中支座缩尺模型试验的相关设计提供参考,并为将实验室缩尺橡胶隔震支座的相关成果较好地应用于实际工程计算及设计中提供依据。     

低硬度橡胶隔震支座各种相关性及老化徐变特性

作者系统地对低硬度橡胶隔震支座的材料和力学性能进行了试验研究。研究使用的低硬度橡胶隔震支座分18种规格，总计近30个大直径隔震支座。研究内容涉及低硬度橡胶隔震支座的基本力学性能；温度、压力、剪切变形、老化和徐变等相关性；压缩界限，屈曲及极限剪切变形等界限性能以及橡胶材料性能和隔震工程应用等方面。本文主要介绍低硬度橡胶隔震支座的压力、剪切变形、温度对支座刚度、阻尼等力学性能的影响，同时还对隔震支座的老化及徐变特性进行了试验研究，确定低硬度橡胶使用60年后的力学性能变化率。文中同时提出了低硬度橡胶支座的温度修正方程，并提出了隔震结构地震反应分析时支座刚度和屈服荷载变化的取值范围。     

低硬度橡胶隔震支座基本力学性能及恢复力特性

本研究对低硬度橡胶隔震支座的材料性能（主要包括力学性能）进行了系统的试验开发及理论研究。研究用低硬度橡胶隔震支座包括天然橡胶隔震支座及铅芯橡胶隔震支座两大类18种规格总计近30个大直径隔震支座。研究内容涉及橡胶隔震支座竖向刚度、水平刚度及阻尼等基本力学性能；压缩界限，屈曲及极限剪切变形等界限性能；温度、压力、剪切变形、老化和徐变等相关性及长期特性；同时还对橡胶材料其他性能进行了系统的试验研究。本文主要介绍低硬度天然橡胶隔震支座及铅芯橡胶隔震支座的基本力学性能，如竖向、水平刚度和恢复力等特性。     

建筑用低硬度橡胶隔震支座界限性能和屈曲性能研究

本研究系统地对低硬度橡胶隔震支座的材料及力学性能进行了试验研究。研究用低硬度橡胶天然及铅芯橡胶隔震支座18种规格总计近30个大直径隔震支座。研究内容涉及低硬度橡胶隔震支座的基本力学性能，温度、压力、剪切变形、老化及徐变等相关性能，压缩界限、拉伸界限、极限剪切变形等界限性能和屈曲特性，以及橡胶材料性能和隔震工程应用等方面。本文主要介绍低硬度橡胶天然及铅芯隔震支座的压缩、拉伸、剪切等界限性能和屈曲应力与剪切应变的相关特性，文中提出了基于刚度因子建立的橡胶支座的界限压缩和界限拉伸应力评价方程，同时还给出了剪切变形状态下的屈曲应力评价方法。     

基于系统地震易损性的桥梁隔震支座优化设计

隔震支座对桥梁抗震有重要意义,优化支座的参数可有效提升隔震效率。以一座三跨连续梁桥为例,建立了考虑桩-土-结构相互作用的有限元模型。将铅芯橡胶支座的特征强度及初始刚度视为优化变量,以最小化桥梁结构的系统地震易损性为目标。通过动力时程分析,得到支座参数对桥梁系统地震易损性的影响规律,确定支座参数的合理区间。高斯过程模型用来取代耗时的动力时程分析,降低隔震支座优化设计的计算成本。分析结果表明:铅芯橡胶支座的特征强度和初始刚度对桥梁系统地震易损性有明显影响;支座优化设计有效降低了桥梁系统地震易损性,大幅减小支座的剪切应变,提高了支座的隔震效率。     

中国铅芯夹层橡胶隔震支座各种相关性能及长期性能研究

本文详细地研究了各种相关因素对中国铅芯橡胶隔震支座力学性能的 影响，同时还研究了中国铅芯夹层橡胶隔震支座的长期性能。研究包括竖向压力、频率、剪切变形循环次数、温度对隔震支座刚度及阻尼等力学性能的影响；隔震支座的耐久性能诸如老化及徐变对隔震器刚度、阻尼特性及极限变形能力的影响。研究还包括水平剪切（200次）及竖向低周疲劳（10万次）试验对隔震器力学性能的影响。     

铅芯对厚层铅芯橡胶支座竖向力学性能的影响

厚层铅芯橡胶支座具有同时隔离水平地震动和竖向地震动的三维隔震性能,其竖向刚度是影响厚层橡胶支座竖向隔震性能的关键因素。基于厚层铅芯橡胶支座三维有限元模型,研究铅芯对厚层铅芯橡胶支座竖向刚度的影响,模型分析中考虑铅芯与周边边界的不同约束情况,研究铅芯的边界约束条件对支座竖向刚度的影响,分析结果表明,铅芯单元边界约束考虑法向可分离、切向可滑移且边界接触摩擦系数取0.9时较为符合支座实际情况。研究了铅芯直径对支座竖向刚度的影响,结果表明,铅芯对支座竖向刚度的贡献除铅芯材料自身刚度及其边界约束条件外,尚应考虑铅芯直径的影响。同时进行了支座性能试验,通过有限元分析结果与试验结果的比较,验证有限元分析方法的有效性及铅芯边界约束条件定义的合理性。     

一种新型三维隔震支座的试验研究

通过研究三维隔震支座与二维隔震支座力学性能的相关关系,对传统的蝶形弹簧改进,并将改进后的新型蝶形弹簧通过对合叠合的方式组成蝶形弹簧竖向隔震支座,与普通橡胶支座通过串联的方式组合成一个新型的三维隔震支座。对二维天然隔震橡胶支座(LNR)、碟形弹簧竖向隔震支座、三维隔震支座分别进行了水平方向和竖向力学性能试验,分析了独立状态下的二维隔震支座与三维隔震支座相互之间力学性能的关系,并对其规律进行了归纳和总结。试验结果表明:竖向弹簧片支座的竖向刚度随压应力的增加呈线性变化;在低频率情况下频率对其竖向刚度影响不大;三维隔震支座的水平刚度相对于独立状态下的LNR会略有降低;LNR对三维隔震支座的整体竖向刚度的影响不大。     

超低硬度隔震橡胶支座的竖向力学性能研究

为了解具有超低硬度(G值为0.196 MPa,简称G2)的天然隔震橡胶支座(简称LNR)及铅芯隔震橡胶支座(简称LRB)的竖向力学性能,采用试验方法对不同直径G2-LNR支座和G2-LRB支座进行了不同压力下竖向刚度、不同水平剪应变下竖向静刚度及不同水平连续剪切位移下支座附加竖向变形测试,对同直径G值为0.392MPa(简称G4)支座部分相同性能进行了对比测试,并将G2测试结果和理论分析结果进行了对比.测试结果表明,G2-LNR竖向刚度随竖向压力的增加呈线性增加的趋势,其不同剪应变状态下竖向静刚度随应变增加呈线性减少的趋势.G2-LRB竖向刚度随竖向压力的增加呈非线性增加,而不同剪应变状态下竖向静刚度随应变未呈现明显的变化规律.试验与理论分析结果表明,测试得到的不同剪应变状态下支座竖向静刚度与理论计算得到的支座刚度在大应变时误差较大.支座不同剪应变状态下竖向静刚度难以准确反映支座在连续水平剪应变状态下的真实刚度,采用藤田隆史考虑重叠面积竖向刚度公式可以较好地预计G2支座在不同剪切位移时支座的附加沉降位移.     

加载频率与幅值对橡胶隔震支座力学性能的影响试验研究

为了探究加载频率、幅值对橡胶隔震支座水平等效刚度、特征强度、屈服后刚度、等效阻尼比及耗能等力学性能的影响,在实验室常温(25℃左右)环境中对直径为700 mm的典型常用天然橡胶支座和铅芯橡胶支座(共4个)进行了一系列的压剪试验,其中,加载频率变化范围为0.3～0.67 Hz,加载幅值变化范围为25%～250%。考虑到试验中加载设备摩擦力与惯性力的影响,本文对实测水平力进行修正并绘制出隔震支座的真实滞回曲线。实验结果表明：支座内部温度随加载频率的增大,升温越为明显,其中在最大加载频率下,天然与铅芯支座在前三圈循环下的升温幅度分别为5.24%和29.98%;随着加载幅值从25%～250%不断增大,隔震支座水平等效刚度和屈服后刚度的最大下降幅度分别为67%和55%,特征强度的增长幅度范围为64%～188%,且天然与铅芯支座耗能约增加15～26倍;此外,铅芯支座的内部温度上升幅度和各项力学性能均明显高于天然支座,但随着加载进行,铅芯支座的特征强度出现了更为明显的刚度退化,且在前三圈循环加载中天然与铅芯支座的特征强度分别退化了3.34%和12.2%。     

高阻尼隔震橡胶支座的相关性试验研究及其参数取值分析

本文目的是研究各种因素对新型桥梁高阻尼隔震橡胶支座(简称HDR)水平剪切性能的影响。采用反复加载试验方法,进行了HDR支座剪应变相关性、压应力相关性、加载频率相关性、反复加载次数相关性、温度相关性、老化相关性等试验,研究了其相应因素对HDR支座滞回环面积、屈服强度、等效阻尼比、屈服后刚度、等效刚度的影响。试验结果表明,加载频率、反复加载次数、温度、老化对HDR支座表征阻尼特征的指标影响较大,而对其刚度影响相对较小。通过对试验曲线的分析,给出了G值为0.64 MPa,100%剪应变时设计等效阻尼比为12%的HDR支座的等效剪切模量、等效阻尼比、屈服强度、屈服前刚度、屈服后刚度随剪应变变化的经验公式。     

环形橡胶支座力学性能试验研究与有限元分析

随着环形橡胶支座在文物及大型设备隔震等方面应用需求的增长,对环形橡胶支座的力学性能的准确掌握越来越重要。目前,虽然部分学者已提出环形橡胶支座的水平与竖向刚度的计算公式,但其对不同参数特征的环形橡胶支座的适应性还未经过试验验证,此外,支座水平与竖向刚度的压应力相关性也亟需进一步研究。因此,聚焦环形橡胶支座的水平与竖向力学性能,通过试验对现有计算公式进行评估,并重点研究支座的水平与竖向刚度的压应力相关性;基于试验建立环形橡胶支座的有限元模型,参数化分析不同特征参数的环形橡胶支座在不同压应力及水平剪应变下的水平刚度、竖向刚度及其内部应力分布变化规律,并量化分析不同压应力与剪应变对支座各项力学性能的影响。研究结果表明：环形橡胶支座的水平与竖向刚度均呈现出显著的压应力相关性;第一形状系数与第二形状系数对环形橡胶支座的水平与竖向力学性能均产生影响,第一形状系数对支座的竖向等效刚度与等效应力影响更大,而第二形状系数对支座的水平等效刚度影响更大;在不同加载工况下,环形橡胶支座内钢板层的Mise等效应力均远大于橡胶层。     

温度对铅芯橡胶支座隔震桥梁抗震性能的影响分析

为了研究温度对铅芯橡胶支座（LRB）隔震桥梁抗震性能的影响,以一座七跨连续梁桥为对象,考虑LRB在夏季和冬季不同温度下的力学特性,利用OpenSees对桥梁抗震性能进行研究。通过对不同温度下墩柱、支座及桥梁系统的地震易损性分析,获得了温度对铅芯橡胶支座隔震桥梁抗震性能的影响。结果表明:（1）与夏季相比,冬季低温降低了桥墩的延性及LRB的剪切变形和耗能能力,使地震作用时墩顶位移和支座变形均小于夏季,降低了LRB的减震效果;（2）冬季低温增大了地震作用时桥墩、LRB及桥梁系统在各个破坏状态的损伤概率,在中等及严重破坏状态时损伤概率相比夏季分别增加了8%和15%。在寒冷地区进行LRB隔震桥梁设计时,应考虑低温导致的LRB隔震效果降低对桥梁抗震性能的影响。     

基于灰色系统的橡胶隔震支座性能老化预测

采用灰色系统理论对橡胶隔震支座的老化性能数据进行了模拟,对比发现这种方法用于拟合隔震支座的老化性能变化规律具有很高的精度。在此基础上,采用3种GM(1,1)模型预测橡胶隔震支座使用40年后的力学性能变化情况,并与相关的隔震支座老化研究成果作对比,预测值与实测值具有较高的一致性。     

寒区环境温度对板式橡胶支座连续梁桥地震易损性影响研究

针对现行规范对寒区桥梁减隔震设计中仅考虑橡胶支座力学特性受环境温度作用影响,而忽略桥墩混凝土材料特性受温度影响的不足,以高寒地区一座两联3×30 m混凝土连续梁桥为背景,开展不同环境温度下桥墩混凝土材料抗压性能试验,确定温度对其力学参数的影响,基于试验结果对不同环境温度下的桥墩混凝土力学参数进行修正,从而建立不同环境温度下的全桥精细化非线性有限元模型,并基于增量动力分析(IDA)法探究不同环境温度下该桥的地震易损性。结果表明:极端温度引起桥墩混凝土材料参数和支座刚度的改变,使得该桥自振频率随着温度的升高而降低;地震作用下,极端低温时桥墩墩顶位移较常温增大了26.8%,而极端高温时支座位移增大了19.4%;根据现行规范计算的极端低温时支座和桥梁系统的损伤概率偏小,极端高温时结构和构件的损伤概率偏大,在设计中应予以重视;极端低温下桥墩、支座及桥梁系统的损伤概率,较常温分别增大45.0%、35.2%和27.5%,对于高寒地区该类桥梁设计时需考虑低温对其抗震性能的影响。     

隔震支座非线性特性的数值模拟

对隔震支座进行精细的数值仿真是准确模拟隔震支座力学特性的基础。在确定天然橡胶本构模型参数的基础上,采用有限元软件建立了不同形状系数的隔震支座模型,并对支座施加竖向荷载和水平循环往复位移荷载情形进行了动力特性分析。分析结果表明,铅芯橡胶隔震支座的水平刚度随轴压应力的增大而降低,但是变化幅度不大,而水平刚度随第一、第二形状系数的增大而提高。结果还表明隔震支座的力学特性可以采用数值方法进行准确模拟。     

支座形式对简支梁桥地震反应的影响

本文选取1座简支小箱梁桥,采用有限元分析软件SAP2000建立有限元模型,选择与规范反应谱频谱特性一致的实际地震记录作为输入进行时程反应分析,在墩、梁之间分别设置普通板式橡胶支座、铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座,比较桥梁纵向和横向的地震反应,分析铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座的减震效果,并从周期延长和能量耗散2方面分析减隔震支座的减震性能。结果表明,2种减隔震支座均可有效起到减隔震的作用,可以显著改善桥梁结构的抗震性能。     

考虑温度影响的LRB隔震建筑地震响应分析

为研究温度对铅芯橡胶支座(LRB)性能的影响,进行支座拟静力试验。试验表明,在不同温度环境中试件的滞回曲线明显不同,支座的刚度和屈服剪力均随温度的升高而降低;低温时,支座的力学特性变化较大,而当温度大于20℃时,支座的力学特性趋于稳定。以某五层基础隔震建筑为例,编写基础隔震结构非线性时程分析程序NBIS,计算该隔震建筑在考虑温度影响后的地震响应。结果表明,在多遇地震作用下支座恢复力随温度的升高而降低,与罕遇地震下的变化趋势相反;考虑LRB温度影响后,该基础隔震结构的减震系数随环境温度的降低而增大,支座的最大位移随温度升高而增大。     

建筑用铅芯橡胶隔震支座温度性能研究

详细研究了建筑隔震结构中铅芯橡胶隔震支座的温度特性。内容包括三个方面：首先是一定温度条件下进行的温度相关性试验，温度范围由—20℃至40℃；其次进行了高温燃烧并经冷却后的基本性能及界限性能试验；最后研究完成了恒温100℃状态下老化185小时和240小时的长期性能试验。在试验结果的基础上，提出了支座屈服后刚度及屈服荷载的温度修正方程。     

高速铁路桥梁的隔震研究

以某高速铁路桥梁为工程背景,开展了高铁桥梁的隔震研究。针对该工程现已应用的摩擦摆支座的不足,研发了适用于高铁桥梁的四铅芯橡胶隔震支座,并与我国高速铁路常用的盆式橡胶支座进行了对比分析。采用ABAQUS软件对该工程中典型五跨简支高铁梁桥建立了三维精细化有限元分析模型,分析模型中摩擦摆式支座与四铅芯橡胶隔震支座均采用双线性来模拟,盆式橡胶支座采用水平刚度较大的线弹性模型,桥墩中混凝土和钢筋采用纤维模型。对比分析了高铁桥梁当分别采用摩擦摆式支座、四铅芯橡胶隔震支座与盆式橡胶支座时的地震响应。研究结果表明:采用的四铅芯橡胶隔震支座的高铁桥梁在大震下支座没有破坏且桥墩墩顶位移、墩底弯矩、墩底曲率均得到显著降低,能确保高铁桥梁在强震下的安全性。