维普资讯 http://www.cqvip.com 第２ｌ卷第３期 ２００８年Ｏ９月 盐城工学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙａｎｃｈｅｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ Ｖ０１．２１ Ｎｏ．３ Ｓｅｐｔ．２００８ 滑移支座在连续梁桥中的性能模拟分析 钟栋青 ，吴发红 （１．盐城－Ｉ－学院材料学院，江苏盐城２２４０５１；２．盐城工学院土木－Ｆ＿程学院，江苏盐城２２４０５１） 摘要：通过借助于ＳＡＰ２０００有限元分析软件，对连续梁桥上设置的滑移支座（聚四氟乙烯支 座），采用常用的３种非线性连接单元进行模拟：水平非线性弹簧单元、Ｗｅｎ塑性单元以及摩擦 板单元。首先，简单介绍了３种单元的特性，然后以某地区四跨连续梁桥结构为例，对滑移支座 分别采用以上３种连接单元进行非线性时程分析，对其分析结果进行对比，为今后桥梁支座的 分析提供参考。 关键词：连续梁桥；滑移支座；聚四氟乙烯支座；非线性时程分析 中图分类号：ＴＵ３１１．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—５３２２（２００８）０３—００４１—０４ 近２０年的地震灾害经验表明，随着城市现代 等于支座的摩擦力 Ｊ。这种支座对于支承面上 的压力以及滑移速度相当敏感，一般来说，压力越 大，摩擦系数越小；速度越大，摩擦系数越大。在 化的发展，交通网络在整个城市生命线抗震防灾 系统中越来越重要。而连续粱桥由于其具备受力 合理、构造简单、施工方便、伸缩缝少等优点，在城 市桥梁中占据了主要的份额…。 当前，比较容易实现且有效的桥梁减隔震方 法之一就是采用减隔震支座（聚四氟乙烯支座、 叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座等），在梁体与墩 台的连接处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的 地震反应 。因此，一般来说，对于大跨连续梁 利用软件分析时，通常采用非线性水平弹簧单元 （１３一ｓｐｒｉｎｇ）、Ｗｅｎ塑性单元（Ｗｅｎ）或摩擦板单元 （ＳＬＤ）３种方式来模拟。 １．１水平非线性弹簧单元 水平非线性弹簧单元的内部变形是相互 的。用它来模拟支座沿纵向的恢复力特性，可采 用双线性模式 （见图１）。 刀 桥结构，每一联仅设一个固定墩，其余各墩均设置 支座，这样可使主粱具有一定的柔性。由于现如 今的连续梁桥广泛的采用了预应力钢筋，使得桥 的跨径越来越大，上百米的跨径已经是比比皆是， 如此大的跨径所引起的混凝土收缩徐变以及温度 庸 后剐度 弹盎刚／ ｜度 位 ／ 变化等影响是不能忽视的。所以采用滑移支座， 还可使主梁在纵桥向具有一定的滑动来抵抗自身 所引起的内力。本文主要探讨聚四氟乙烯支座。 图１水平非线性单元及其恢复力滞回曲线 １ 滑移支座的模拟单元 聚四氟乙烯支座主要是以聚四氟乙烯板和不 锈钢板作为支座的相对滑动面来隔离桥梁墩、台 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｏｆ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｌｏｏｐｓ ｏｆ ｒｅｓｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ 与上部结构，能够有效的控制传到下部结构的地 震作用，从而减小墩、台所受的地震力。连续梁桥 采用这种支座时，传到桥梁墩、台的地震力最大值 收稿日期：２００８—０６—０３ 对于滑移支座来说，图中的Ｆ，为滑动荷载， 此值与支座所承受的压力以及滑动面的摩擦系数 有关（ ＝／ｘＮ）。弹性刚度Ｋ。＝ ，ｄ为支座移 动的微小位移，取为２ ｍｍ（仅作为参考）。屈服 作者简介：钟栋青（１９８１一），男，江苏盐城人，助教，硕士，主要研究方向为道路桥梁抗震。 维普资讯 http://www.cqvip.com 盐城工学院学报（自然科学版） 第２１卷 后的刚度 可取为０（理想状态）或者根据经验 取一相对较小值。 １．２ Ｗｅｎ塑性单元 Ｗｅｎ塑性模型的所有内部变形也是相互独 立的。一个自由度的屈服不影响其它变形行为。 其滞回曲线如图２。在图中可以发现，Ｗｅｎ塑性 单元与ｎ—ｓｐｒｉｎｇ单元的最大区别在于弹性阶段 到塑性阶段的过渡，ｎ—ｓｐｒｉｎｇ单元为折线型过 渡，而Ｗｅｎ塑性单元为圆弧型过渡。对于滑移支 座，在定义相关参数时需考虑：①对于初始刚度也 就是弹性刚度的确定可以采用ｎ—ｓｐｒｉｎｇ单元的 定义方式。②在Ｗｅｎ塑性单元在进入塑性后屈 服刚度较小，在定义参数ｒａｔｉｏ（屈服后刚度／弹性 刚度）可取为０（理想状态）或者根据经验取一微 小值。③对于刚进入塑性阶段的圆弧段来说，指 数越大，屈服比率越陡，一般取值１＜ｅｘｐ≤２０ Ｊ （参见图３）。 力 、 ， 。、 Ｌ／／ 移 图２ Ｗｅｎ塑性模型恢复力滞回曲线 Ｆｉｇ．２ Ｒｅｓｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｏｆ Ｗｅｎ ｐｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌ 力／ 屈服力 二 刚度如 位移 图３ Ｗｅｎ塑性属性参数定义 Ｆｉｇ．３ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｅｎ ｐｌａｓｔｉｃ ａｔｔｒｉｂｕｔｅ １．３摩擦板单元（ＳＬＤ） 在ＳＡＰ２０００软件中，这是一个双轴摩擦摆， 对于两个剪切变形，沿摆的滑移面的径向可以具 有滑移后刚度，在轴向只能受压的连接单元。其 塑性特性基于Ｗｅｎ和Ｐａｒｋ，Ｗｅｎ和Ａｎｇ提出的滞 回行为Ｈ］。若将此摆滑动面定义为平面，也就是 将摆滑动面的半径设定为０，便是本文所谈到的 摩擦板单元。此摩擦板具有３个特殊属性：①该 摩擦板的摩擦系数随着速度的变化而变化；②该 摩擦板的摩擦系数随着板上的轴压力的变化而变 化；③摩擦板在屈服后刚度是动态的，随着速度、 压力的变化而变化。 摩擦板的滞回曲线与水平非线性弹簧单元相 似，其初始刚度取速度最慢时的摩擦系数所对应 的刚度。由于此单元的水平剪切刚度与竖向的正 压力是相互耦合的，因此，需预先对板上定义初始 压力值。 ２算例 ２．１工程概况 某连续梁桥结构，选取其中一联四跨独墩独 桩，等距离跨径，均为５０ ｍ，中间一个墩为固定 墩，其余各墩均仅竖向约束。主梁采用单箱截面， 在靠近支座处内空间逐渐减小，以增加支座处压 重。各桥墩墩高相同，均为９．２ ｍ，每个自由墩顶 设置２个聚四氟乙烯滑移支座；对于主梁和桥墩 均采用Ｃ５０混凝土。本文将对连接主梁与自由 墩的滑移支座采用以上介绍的３种单元来模拟分 析并进行比较。 ２．２动力分析模型的建立 本文采用ＳＡＰ２０００Ｎ非线性有限元软件的空 间杆系模型对该桥进行动力特性及非线性时程分 析。力求使所建立的计算模型能如实地反映结构 构件的几何、材料特性，以及各构件的边界连接条 件。结构阻尼比为５％。 空间杆系模型采用脊梁模拟，主梁、桥墩均用 梁单元模拟，将桥面系的竖向、横向挠曲刚度、扭 转刚度和平动质量、转动质量都集中在中间节点 上（见图４）。支座分别采用水平非线性弹簧单 元、Ｗｅｎ塑性单元以及摩擦板单元来模拟。 图４连续梁桥动力分析模型 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ 非线性时程分析时，对于非线性弹簧单元以 及Ｗｅｎ塑性单元所对应的分析模型时，由于其不 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 钟栋青，等：滑移支座在连续梁桥中的性能模拟分析 表ｌ ３种模拟支座单元动力特性对比 ・４３・ 存在竖向与水平向的耦合，因此，初始状态可取为 ｚｅｒｏ初始状态。而对于摩擦板单元由于竖向和水 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｃｏｍｐａｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ 平向的耦合，需在输入地震波之前，将重力荷载以 ３ ｋｉｎｄｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｄｅｍｅｎｔｓ 时程曲线的形式输人，首先进行计算作为初始状 态，在此基础上输人地震荷载进行计算 。 量●设计地震动选择：１９４０年Ｉｍｐｅｒｉａｌ Ｖａｌｌｅｙ地 震时Ｅｌ Ｃｅｎｔｒｏ纪录的ＮＳ分量以及１９５２年Ｋｅｒｎ Ｃｏｕｎｔｙ地震时Ｔａｆｔ纪录的ＥＷ分量，且地震动的 输入水平按８度地震区设计基本地震加速度 ０．３ ｇ的标准输入，竖向分别取水平向的２／３和 注：表中３％，１％～５％表示滑移支座的摩擦系数，下同。 ２，即０．２ ｇ和０．６ ｇ，来考虑竖向力的变化对支座 的影响程度。 服后仍有较小的刚度。因此，其基本周期较其他 ２．３ ３种模拟滑移支座单元的对比分析 两种要长，最大相差３２．２％；②该桥的纵向振动 该连续梁桥在恒载及二期荷载的作用下：辅 周期，３种模拟方式基本上相差无几；③对于滑动 助墩上每个支座承受９ ６７０ ｋＮ，过渡墩上每个支 摩擦支座来说，其摩擦系数的适当改变对该桥梁 Ｉ●—● 座承受４ ７００ ｋＮ。支座摩擦系数约为ｌ％～５％ 结构的振动周期变化不大；④３种模拟滑移支座 （在进行分析时取中间值３％进行对比计算）。下 的方式并没有改变该结构的动力特性。 面从以下几部分进行对比分析： ２．３．２ 自由墩的受力分布 ２．３．１ 动力特性 ３种支座单元模拟方案在地震动输入水平下 由于支座边界条件的模拟方式不同，该连续 的自由墩的最大剪力、弯矩受力分布绘于图５、图 梁桥在自身的动力特性ｔ有了一定的改变，见表１。 ６，从图中可以看出，３种方案并没有改变其自由 表中可以看出，①对于ｎ—ｓｐｒｉｎｇ单元，由于 墩的受力分布，基本保持一致。 在定义时，屈服后刚度设为０，而其余两种方式屈 Ｉ■■一ｂ Ｗｅｎ单元模拟 ｃ Ｓ ａ ｎ—ｓｐｒｉｎｇ单元模拟 ｂ Ｗｅｎ单元模拟 ▲ ｃ ＳＬＤ单元模拟 图６自由墩最大弯矩分布图 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｍａｘ ｍｏｍｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｅ ｐｉｅｒｓ 蚺模 维普资讯 http://www.cqvip.com
・４４・ 盐城工学院学报（自然科学版） 第２１卷 ２．３．３ 固定墩墩底内力 剪力和弯矩，见表２。 对于３种模拟方式所引起的固定墩墩底最大 表２固定墩墩底剪力、弯矩表 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ａｎｄ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｆｒｏｍ ｆｉｘｅｄ ｐｉｅｒｓ 由表中可知，①当摩擦系数约为３％时，对于 对确保桥梁的整体抗震性能具有非常重要的意 Ｅ１ ｃｅｎｔｒｏ波来说，其剪力和弯矩相差不大，而对于 义。本文对于现阶段在大跨连续桥上使用比较普 Ｔａｆｔ波来说，剪力与弯矩相差相对较大，剪力最大 遍的滑移支座（主要指聚四氟乙烯滑移支座），采 相差达２３．５％，弯矩最大相差达１５．４％；②对于 用了３种非线性连接单元进行模拟，比较了各自 ＳＬＤ模拟支座单元，根据摩擦系数的改变，其内力 的特点。主要可归纳为以下几点： 也在发生变化；③对于竖向作用比较明显的时，ｎ （１）在竖向作用不明显或者滑移支座摩擦系 —ｓｐｒｉｎｇ单元与Ｗｅｎ单元并没有剪力和弯矩的变 数变化范围不大的情况下，３种模拟方式均可以 化，与实际情况不符。而ＳＬＤ单元则可以反映这 比较真实的反映滑移支座的性能。 种变化。 （２）当竖向作用或者滑动速度的快慢引起了 ３ 结语 滑移支座摩擦系数变化范围较大时，选用摩擦板 单元较为适合。 在桥梁的抗震分析中，正确模拟支座的作用 参考文献： ［１］范立础，王志强．桥梁减隔震设计［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００１． ［２］叶爱君，胡世德，范立础．桥梁支座抗震性能的模拟分析［Ｊ］．同济大学学报，２００１，２９（１）：６—９ ［３］李建中，廖元裳，王克丽．桥梁的减震设计与分析［Ｊ］．桥梁建设，１９９８（１）：１０—１３． ［４］Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｉｎｃ．Ｓａｐ２０００ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍａｎｕａｌ【Ｚ］．Ｂｅｒｋｌｅｙ，２００２． ［５］程华群．高层建筑隔震设计方法研究［Ｄ］．南京：南京工业大学，２００６． （下转第５３页） 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３期 孙亚飞：地下工程中钢筋锈蚀的影响因素分析 ・５３・ Ａｎａｌｙｓｅ ｏｎ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＳＵＮ Ｙａ—ｆｅｉ，ＸＵ Ｘｉｕ—ｐｉｎｇ ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｙａｎｃｈｅｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｙａｎｃｈｅｎｇ ２２４００３，Ｃｈｉｎａ ＼Ｊｉａｎｇｓｕ Ｚｈｏｎｇｓｈａ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，ＬＴＤ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｙａｎｃｈｅｎｇ ２２４００１，Ｃｈｉｎａ ， Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｒｅｇａｒｄｓ ｔｈｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ＣＯＩＴＯＳｉＯＵＳ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｒｏｍ ｓｅｖｅｒａｌ ａｓｐｅｃｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ ｇａｓ ｅｒｏｓｉｏｎ ｔｈｅｉｒ ｃａｕｓｉｎｇ ｒｅａｓｏｎｓ ａｒｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ；ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｏｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ａｒｅ ｐｒｏ— ｐｏｓｅｄ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｅｒｖｉｃｅ ｐｅｒｆｏｒｍ— ａｎｃｅｓ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｒｅｉｆｎｏｒｃｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｒａｃｋ；ｐＨ ｖａｌｕｅ；Ｉｏｎ （上接第４４页） Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｆｏｒ Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｂｅａｒｉｎｇｓ ｉｎ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｇｉｒｄｅｒ Ｂｒｉｄｇｅ ＺＨＯＮＧ Ｄｏｎｇ—ｑｉｎｇ ，ＷＵ Ｆａ—ｈｏｎｇ ，１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｃｈｅｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｙａｎｃｈｅｎｇ ２２４０５ １，Ｃｈｉｎａ．１ ＼２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｅｈｅｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｙａｎｃｈｅｎｇ ２２４０５１，Ｃｈｉｎａ ／ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｉｎｇ ａ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂｙ ｔｈｅ ａｉｄ ｏｆ ＳＡＰ２０００ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ａｄｏｐｔ ３ ｋｉｎｄｓ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｌｉｎｋ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｃｏｍｍｏｎ ｕｓｅ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓｌｉｄｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｏｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｇｉｒｄｅｒ ｂｒｉｄｇｅ（ｔｅｆｌｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ）：Ｌｅｖｅｌ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｓｐｒｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ、Ｗｅｎ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｌｉｄｉｎｇ ｂｏａｒｄ ｅｌｅｍｅｎｔ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ３ ｋｉｎｄｓ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｓｉｍｐｌｙ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ａ ｆｏｕｒ—ｓｐａｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｇｉｒｄｅｒ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎ ｓｏｍｅ ａｒｅａ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｓｌｉｄｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ３ ｋｉｎｄｓ ｌｉｎｋ ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｏ ｅａｌＴｙ ｏｕｔ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｎ ｉｔ§ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｂｅａｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄａｙｓ ｔｏ ｃｏｍｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｇｉｄｒｅｒ ｂｒｉｄｇｅｓ，ｓｌｉｄｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ，ｔｅｌｆｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｎａａｌｙｓｉｓ
