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。     

LRB基础隔震结构在极罕遇地震作用下的抗震性能研究

以典型的四层、六层和八层LRB(铅芯橡胶隔震支座)基础隔震结构为研究对象,通过大量的弹塑性时程分析,对极罕遇地震作用下的地震响应特点进行了分析;采用参数化方法,研究了隔震系统的力学性能参数和上部结构屈服强度比的变化对LRB基础隔震结构抗震性能的影响。结果表明:在极罕遇地震作用下,LRB基础隔震结构上部结构首层的层间位移角和延性系数明显增大;延长LRB隔震系统的隔震周期或选择最优的特征屈服强度比,均可显著降低上部结构的塑性变形程度,但LRB屈服位移的变化对隔震结构的响应几乎无影响;LRB隔震系统参数确定后,隔震结构上部结构的损伤状态主要与上部结构力学性能参数中的屈服强度比相关,增大上部结构的屈服强度比,可以显著降低上部结构的层间位移角和延性系数,但是隔震支座的平均最大剪应变会增大,可以选用橡胶剪切模量大或者直径大、第二形状系数小的LRB隔震支座。     

软土场地基础隔震建筑减震性能研究

本文研究土与结构相互作用(SSI)对多层及中高层基础隔震建筑地震需求及隔震效率的影响规律,隔震层采用LRB铅芯橡胶与LNR普通橡胶隔震支座组合,就我国现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中软土场地设置隔震层问题做探讨。提出土与基础隔震结构相互作用的简化计算模型,对不同场地及隔震设计目标下的多层及中高层基础隔震结构进行时程分析。研究表明:软土场地基础隔震建筑隔震层的有效隔震效率相对于硬土场地有所下降,必须通过设置具有一定规格的LRB支座来满足隔震目标。本文给出了铅芯橡胶支座极限变形需求随建筑层高及隔震目标变化的规律。     

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。     

基于汶川地震的LRB与RB隔震连续梁桥地震响应对比研究

为了研究铅芯橡胶支座(LRB)和板式橡胶支座(RB)对连续梁桥地震响应及隔震效果的影响,分别采用Bouc - Wen滞回恢复力模型模拟LRB的力-位移非线性特性,采用直线型恢复力模型模拟RB的本构关系,通过结构离散建立了非隔震、LRB隔震和RB隔震3种连续梁桥的有限元计算模型,运用四阶显式Runge - Kutta迭代法和Newmark时间积分法联合求解增量形式的全桥动力微分方程,并结合算例对3种连续梁桥有限元计算模型分别输入汶川地震波进行非线性时程对比分析.结果表明:LRB在控制梁体与支座位移,降低结构加速度和墩、台底内力响应方面均比RB的效果要显著;采用RB隔震后,梁体与支座的位移响应均较大,在桥梁隔震设计时要予以充分重视.     

不规则框架结构的组合隔震反应分析

为研究不规则框架隔震结构的地震反应,分别对一个传统抗震结构、一个铅芯叠层橡胶支座隔震结构和四个组合隔震结构(隔震层由铅芯支座和滑板支座组成)进行了弹塑性地震反应时程分析,研究隔震支座参数对隔震效果的影响。结果表明:采用组合隔震技术时,合理选择隔震层的铅芯支座布置位置、滑板支座的摩擦系数和铅芯叠层橡胶支座的型号,可以有效地降低上部结构的扭转效应;对于不规则的建筑隔震结构,为减小地面运动带来的扭转效应,建议采用由铅芯支座和滑板支座组合而成的隔震层,可对上部结构的扭转起到很好的抑制作用。     

大型LRB基础隔震储罐支座参数优化配置研究

铅芯橡胶支座(LRB)参数的优化配置是大型LRB基础隔震储罐设计的关键问题。采用Bouc-Wen模型模拟LRB的非线性力学性能,结合Newmark增量法和龙格库塔积分法求解了隔震储罐非线性动力方程,得到了不同类型场地上大型LRB隔震储罐的地震响应特点和设计参数优化配置规律。研究结果表明:支座隔震频率是影响大型隔震储罐减震效果的主要参数。I类场地上最优隔震频率范围为0.5～5rad/s,II类、III类场地上最优隔震频率范围为2～5rad/s,IV类场地上最优隔震频率范围为1.5～3rad/s。支座屈服强度对储罐地震响应的影响取决于场地类型和隔震频率。在II和III类场地上存在最优屈服强度使得基底剪力最小,且最优屈服强度随隔震频率增大而增大。     

铅芯叠层橡胶支座基础隔震结构双向地震反应分析

本文对铅芯叠层橡胶支座双向耦合恢复力模型进行了改进，采用基础隔震结构动力分析程序DABIS对铅芯叠层橡胶支座基础隔震结构进行了单向及双向地震反应对比分析。结果表明，在单向和双向地震作用下，基础隔震结构的加速度反应和位移反应较为接近，但在双向地震作用下，支座的最大位移明显大于单向地震作用时的支座最大位移，因而在确定支座最大位移时应考虑双向地震作用的影响。     

LRB支座选取及其对连续梁桥减隔震效果的影响

本文以桥梁上部结构自重等荷载引起的墩台处支座反力为考虑因素,通过选择合适的铅芯橡胶支座并进行了一系列的数值分析,使桥梁结构减隔震效果达到最佳。基于大型有限元软件Midas Civil建立某三跨连续梁桥,采用动力时程分析方法,初选了六组支座作为研究对象,以墩底内力、支座内力、支座滞回耗能特性、墩顶加速度、主梁观测点加速度等为主要考虑因素,对铅芯橡胶支座的减隔震效果进行了分析。结果表明,当选取桥台处LRB支座竖向承载力约为支座反力的1.12倍,桥墩处LRB支座竖向承载力约为支座反力的1.10倍,且所有LRB支座铅芯屈服力约为梁体自重的0.056倍时,减隔震效果最佳。     

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。     

Lead core heating in lead rubber bearings subjected to bidirectional ground motion excitations in various soil types

This paper investigates the response of lead rubber bearings (LRBs) under bidirectional earthquake excitations when lead core heating effect is of concern. For this purpose, a series of nonlinear response history analyses were conducted with a bilinear force‐deformation relation for LRBs. In the considered bilinear representation, the strength of LRBs deteriorates because of lead core heating under cyclic motions. Response of LRBs was studied in terms of maximum isolator displacements (MIDs) and maximum lead core temperature as a function of isolator characteristics (characteristic strength to weight ratio, Q/W, and post‐yield isolation period, T). Nonlinear response history analyses were performed using two sets of ground motions clustered according to their soil classifications. To quantify the interacted effects of coupled analysis and lead core heating on MID, unidirectional analyses were also performed. Furthermore, the efficacy of equivalent lateral force procedure in estimating the MID of LRBs was also tested for the cases in which temperature‐dependent behavior of LRBs was considered. The results demonstrate that the temperature rises in the lead core of LRBs in bidirectional analyses are approximately 50% higher than that of unidirectional ones. It decreases with increasing Q/W ratio and T. It is also revealed that equivalent lateral force procedure gives close estimations for MID with some overestimation even for temperature‐dependent behavior of LRBs. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

近断层地震动下设置BRB的双向减隔震桥梁地震反应

在近断层地震动下桥梁结构将发生较大反应,减隔震设计是减轻地震损伤的重要手段。提出了在桥梁双柱墩横桥向设置防屈曲支撑(BRB),在纵桥向设置铅芯橡胶支座(LRB)的双向减隔震体系。利用Midas Civil软件建立3种不同减隔震方式的桥梁结构模型:LRB仅单向,LRB双向与LRB联合BRB,运用非线性时程分析方法计算了桥墩反应(墩顶侧移角、残余位移角和曲率延性)、LRB支座变形和BRB的耗能特性等。结果表明:在近断层地震动输入下联合设置LRB和BRB的双向减隔震桥梁减震效果明显,相比其它2种方式,能有效降低墩柱的塑性变形及起到保护桥墩的作用。在横桥向,桥墩最大侧移角、残余位移角和最大曲率延性系数都显著降低。     

Change in response of bridges isolated with LRBs due to lead core heating

This study focuses on the response of seismic isolated bridges subjected to near-field ground motions with distinct pulse type behavior in terms of maximum isolator displacements (MIDs) and maximum isolator forces (MIFs) transferred to the substructure. The employed isolation systems are composed of lead rubber bearings (LRBs) with bi-linear force-deformation relations that consider cycle-to-cycle deterioration in the yield strength of the LRBs due to heating of the lead core. MIDs and MIFs with due consideration of cycle-to-cycle deterioration are compared with that of non-deteriorating ones. Bounding analyses are also performed for comparison purposes. Nonlinear response history analyses are conducted with two bins of ground motions recorded at different soil conditions to investigate the effect of ground motion characteristics. Results indicate that MIDs are overestimated by lower bound analyses when seismic isolated bridges are subjected to near-field motions with high velocity pulses especially for the bearings with higher Q/W ratios.     

An advanced numerical model of elastomeric seismic isolation bearings

The nuclear accident at Fukushima Daiichi in March 2011 has led the nuclear community to consider seismic isolation for new large light water and small modular reactors to withstand the effects of beyond design basis loadings, including extreme earthquakes. The United States Nuclear Regulatory Commission is sponsoring a research project that will quantify the response of low damping rubber (LDR) and lead rubber (LR) bearings under loadings associated with extreme earthquakes. Under design basis loadings, the response of an elastomeric bearing is not expected to deviate from well‐established numerical models, and bearings are not expected to experience net tension. However, under extended or beyond design basis shaking, elastomer shear strains may exceed 300% in regions of high seismic hazard, bearings may experience net tension, the compression and tension stiffness will be affected by isolator lateral displacement, and the properties of the lead core in LR bearings will degrade in the short‐term because of substantial energy dissipation. New mathematical models of LDR and LR bearings are presented for the analysis of base isolated structures under design and beyond design basis shaking, explicitly considering both the effects of lateral displacement and cyclic vertical and horizontal loading. These mathematical models extend the available formulations in shear and compression. Phenomenological models are presented to describe the behavior of elastomeric isolation bearings in tension, including the cavitation and post‐cavitation behavior. The elastic mechanical properties make use of the two‐spring model. Strength degradation of LR bearing under cyclic shear loading due to heating of lead core is incorporated. The bilinear area reduction method is used to include variation of critical buckling load capacity with lateral displacement. The numerical models are coded in OpenSees, and the results of numerical analysis are compared with test data. The effect of different parameters on the response is investigated through a series of analyses. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑震害因子耦合作用的砌体建筑群破坏概率模型研究

砌体建筑群在地震中往往破坏严重损失巨大,合理评估地震作用对不同种类砌体结构造成破坏的风险变得至关重要。传统基于后验概率的地震危险性分析方法忽略了砌体建筑个体差异性的影响,未深入考虑多种震害因子的耦合作用。本文以华南地区砌体建筑群为例,开发了一种集成概率方法来对城市砌体结构的破坏风险进行建模,考虑建筑年代、层数、使用用途和墙厚四类震害因子的耦合影响,采用(Kolmogorov-Smirnov)K-S检验,在设定地震动参数下选取Gaussian分布、Log-Normal分布、Gumbel分布和Beta分布四种概率分布对该地区砌体建筑物的破坏状态概率分布参数进行拟合。通过均方根误差(Root Mean Square Error)RMSE进行拟合优度评价,最终建立基于Gaussian分布和Log-Normal分布的砌体建筑物破坏联合概率模型。最后,以华南地区三个城市典型砌体建筑物为例进行实例对比验证,将基于本文建立的建筑破坏概率模型推算出的砌体建筑群震害矩阵与基于单体结构分析得到的震害矩阵进行对比,与理论值最大偏差为0.033 3。研究表明：本文构建的集成概率方法能够获得更加合理的城市砌体建筑...     

钢框架结构的非线性静力抗震可靠性分析Ⅱ:可靠度指标及其灵敏度

将有限元反应及其灵敏度分析与结构可靠度分析的近似解析方法结合起来,可以进行具有隐式功能函数的大型复杂结构的可靠性分析。在基于位移的非线性纤维梁柱单元及其灵敏度直接微分表达式的基础上,通过力学变换、概率变换和反应灵敏度,将结构可靠度计算方法FORM和SORM与有限元方法有机地集成在一起。依据现行抗震设计规范,建立了钢框架结构典型构件承载能力和结构层间变形能力的抗震极限状态方程,利用地震作用的等效随机静力模型,采用非线性有限元静力可靠度方法,对一实际工程结构的抗震可靠度及其灵敏度进行了概率分析和评价,结果表明：尽管在大震作用下该结构的层间弹塑性变形可靠度较高,但是构件极限承载能力的可靠度指标较低,仍然存在失效的可能性。因此,仅验算“小震”作用下结构的承载能力可靠度和“大震”作用下结构的变形能力可靠度是不够的,还需要验算在“中震”和“大震”作用下结构的极限承载能力可靠度。     

钢框架结构的非线性静力抗震可靠性分析 II:可靠度指标及其灵敏度

将有限元反应及其灵敏度分析与结构可靠度分析的近似解析方法结合起来,可以进行具有隐式功能函数的大型复杂结构的可靠性分析。在基于位移的非线性纤维梁柱单元及其灵敏度直接微分表达式的基础上,通过力学变换、概率变换和反应灵敏度,将结构可靠度计算方法FORM和SORM与有限元方法有机地集成在一起。依据现行抗震设计规范,建立了钢框架结构典型构件承载能力和结构层间变形能力的抗震极限状态方程,利用地震作用的等效随机静力模型,采用非线性有限元静力可靠度方法,对一实际工程结构的抗震可靠度及其灵敏度进行了概率分析和评价,结果表明:尽管在大震作用下该结构的层间弹塑性变形可靠度较高,但是构件极限承载能力的可靠度指标较低,仍然存在失效的可能性。因此,仅验算"小震"作用下结构的承载能力可靠度和"大震"作用下结构的变形能力可靠度是不够的,还需要验算在"中震"和"大震"作用下结构的极限承载能力可靠度。     

基于推覆分析的钢框架结构地震倒塌判别准则研究

结构地震倒塌判别准则是工程结构强震分析的关键问题。在层损伤模型的基础上,建立了基于推覆分析的建筑结构整体损伤模型,并以国内某2层2跨平面钢框架结构拟静力试验为背景,应用有限元程序ABAQUS对平面钢框架进行了强震倒塌数值模拟。分析了钢框架结构的倒塌破坏过程,基于建议地震倒塌判别准则研究了钢框架结构的损伤演化规律。结果表明:钢框架结构在强震作用下的损伤发展顺序与塑性发展顺序一致;基于推覆分析的结构整体损伤模型能较好的体现强震作用下钢框架结构的损伤演化规律,且在上下界处收敛;强震作用下,钢框架结构的初始损伤主要由结构的残余侧移引起,而后期损伤主要由结构的承载力和刚度退化引起。     

多龄期钢框架时变损伤模型研究

对3种不同厚度的钢材标准试件进行酸性大气环境气雾加速腐蚀试验,并对锈蚀后的试件进行单向拉伸试验,得到钢材力学性能随失重率的衰变规律。同时考虑构件截面削弱与材料力学性能降低,建立不同锈蚀程度下的钢框架有限元分析模型,利用非线性静力推覆分析得到锈蚀钢框架结构的整体初始刚度随锈蚀程度增大的退化规律,以表征结构因锈蚀造成的损伤。提出同时反映最大变形效应和累积耗能效应的双参数结构整体地震损伤模型,并在此损伤模型的基础上集合钢材材性试验结果及有限元分析结果,提出适用于锈蚀钢结构的"时变"损伤模型。对比分析以层间位移角及时变损伤模型为性能指标建立的不同龄期钢框架结构的地震易损性曲线,结果表明:随着锈蚀程度的增加,在相同地震动强度下结构超越某一极限状态的失效概率均增大。     

既有钢筋混凝土框架结构的多指标云模型地震损伤评估

目前的既有钢混结构地震损伤研究没有同时考虑不同抗震设计规范差异和耐久性两个因素对结构抗震性能的影响,且损伤指标较简单,在动力损伤分析中也存在局限。基于云模型的特点,提出了包括弹塑性耗能差率、刚度损伤指数、层间位移角和顶点位移角的多元结构损伤状态综合评估方法,能够同时考虑结构各损伤指数的随机性和模糊性。考虑不同版本抗震设计规范造成的结构性能差异和耐久性下降对结构性能的影响,设计3个典型五层钢混框架结构,进行增量动力分析,验证损伤评估方法的准确性。结果表明：随着抗震规范版本的更新,结构的损伤程度有适当减轻;同一结构的损伤程度因混凝土碳化作用先减轻后加重;采用弹塑性耗能差率表征既有结构的地震损伤效果优于刚度损伤指数;基于多指标云模型损伤评估方法获得的云模型综合隶属度和综合损伤值能够更加细化和精确地描述结构损伤状态。