一种钢-橡胶组合桥梁支座力学性能评估方法及装置与流程

本发明涉及工程结构的设计，特别是一种钢-橡胶组合桥梁支座力学性能评估方法及装置。

背景技术：

1、桥梁支座作为桥梁体系的关键受力构件，具有传递竖向或水平力，释放桥梁的各种变形的作用，桥梁设计过程中需要与桥梁结构一起进行结构受力验算，以保证桥梁在运营阶段和地震作用下的安全性。支座的减、隔震力学性能主要受摩擦系数和水平刚度影响，摩擦系数越大，桥梁的耗能能力越强，对桥梁抗震越有利；水平刚度越大，结构基频越大，对桥梁抗震不利，值得注意的是二者对桥梁抗震性能的影响是相互关联、相互制约的，桥梁抗震设计需要根据具体的桥梁结构，为支座匹配合适的力学参数。

2、在支座设计中，需要根据桥梁结构特性，为不同桥墩匹配水平刚度和摩擦系数适当的支座，使其达到最佳的减震效果，这就需要快速准确地得到支座的力学性能，满足桥梁抗震性能分析的要求。如图1所示是一种钢-橡胶组合桥梁支座的剖面结构示意图，该支座的结构详见专利《一种桥梁支座及一种桥梁》（公开号cn117051686a），该桥梁支座由底板10、环形支撑组件20、顶板30以及剪切支撑块40组成，剪切支撑块40可以更换，该桥梁支座不仅能适应复杂的桥梁需求，且结构组成简单，安拆方便，还能有效增长桥梁支座的使用寿命，适合大范围推广使用，通过在环形支撑组件20和剪切支撑块40之间设置预留空间60，为剪切支撑块40提供其产生剪切变形的空间，环形支撑组件20包括环形基座21、球面环形滑板22、环形滑动圈23及四氟滑板24，剪切支撑块40包括下连接板41、下固定销42、上连接板43、上固定销44、剪切形变块45。

3、该桥梁支座移动的基本原理是：第一种移动方式下，顶板30和第一环形滑板50形成的整体在四氟滑板24上表面进行相对滑动，图1中展示的是第一种移动方式的示意图；第二种移动方式下，顶板30、第一环形滑板50、四氟滑板24以及环形滑动圈23形成的整体相对球面环形滑板22运动，图2中展示的是第二种移动方式的示意图，还可以第一种移动方式和第二种移动方式相结合，移动过程中，剪切支撑块40能够发生剪切变形，通过产生剪切力来缓冲顶板30的移动和倾覆摆动。

4、该支座通过剪切支撑块40来缓冲梁体的倾覆摆动，从而有效减小外力对桥梁构造的冲击，进而减少振动传递到桥梁结构中的能量，达到有效保护桥梁结构的目的。在该桥梁支座设计过程中，需要对钢-橡胶组合桥梁支座的力学性能进行评估，配合桥梁抗震计算改进设计参数，一般情况下，每个支座都要做实体有限元模拟才能得到力学参数，桥梁支座力学性能评估需要很长的时间，当遇到图1所示具有特殊结构的支座，力学性能评估实体模拟评估所需的时间更长，目前还没有针对该种钢-橡胶组合桥梁支座的力学性能快速的评估方法。

技术实现思路

1、本发明针对钢-橡胶组合桥梁支座的特殊结构，考虑了橡胶材质的剪切形变块45高于钢材环形支撑组件20的高度，提出了一种钢-橡胶组合桥梁支座力学性能评估方法及装置，对结构较复杂的钢-橡胶组合支座给出了快捷且准确的评估支座力学性能的方法。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种钢-橡胶组合桥梁支座力学性能评估方法，包括以下步骤：

4、基于钢-橡胶组合桥梁支座中主要由橡胶材质构成的剪切形变块（45）高于钢材材质的环形支撑组件（20）的高度，计算剪切形变块（45）和环形支撑组件（20）上表面的四氟滑板（24）受到的竖向压应力；

5、根据支座材料建立剪切形变块（45）的竖向应力-剪切模量非线性关系、四氟滑板（24）与顶板（30）之间竖向应力-摩擦系数非线性关系；

6、根据剪切形变块（45）受到的竖向应力、竖向应力-剪切模量非线性关系得到剪切形变块（45）的剪切模量，从而计算得到支座的水平刚度；

7、根据四氟滑板（24）受到的竖向应力、四氟滑板（24）与顶板（30）之间的竖向应力-摩擦系数非线性关系得到支座的摩擦系数；计算得到不同结构参数下的钢-橡胶组合桥梁支座水平刚度和摩擦系数；

8、基于所述水平刚度和摩擦系数评估钢-橡胶组合桥梁支座的力学性能。

9、作为优选方案，所述剪切形变块（45）和环形支撑组件（20）上表面的四氟滑板（24）受到的竖向压应力的计算步骤包括：

10、支座中钢材材质的环形支撑组件（20）和剪切形变块（45）共同受力后，根据钢-橡胶组合桥梁支座中剪切形变块（45）高于环形支撑组件（20）的高度，得到剪切形变块（45）和钢材材质的环形支撑组件（20）的竖向形变高度；

11、根据所述竖向形变高度计算出剪切形变块（45）受到的竖向压力；

12、根据所述竖向压力和主要由橡胶材质构成的剪切形变块（45）的截面积计算出剪切形变块（45）受到的竖向压应力；

13、总的竖向荷载减去剪切形变块（45）受到的竖向压力，得到四氟滑板（24）受到的竖向压力；

14、根据所述四氟滑板（24）的竖向压力和四氟滑板（24）的截面积计算出四氟滑板（24）的竖向压应力。

15、作为优选方案，所述剪切形变块（45）受到的竖向压力计算公式为：

16、

17、其中， f j是支座中剪切形变块（45）受到的竖向压力，是支座的钢材材质的环形支撑组件（20）和剪切形变块（45）共同受力后的竖向形变高度， a x为剪切形变块（45）中橡胶材质承压面的等效面积， e x是橡胶的弹性模量， t x为剪切形变块（45）中橡胶材质的总厚度，是剪切形变块（45）高于环形支撑组件（20）的高度； f1, x是剪切形变块（45）单独受力时的竖向荷载。

18、作为优选方案，剪切形变块（45）单独受力时的竖向荷载f1, x计算公式为：

19、

20、其中，是剪切形变块（45）高于环形支撑组件（20）的高度， d x是剪切形变块（45）中橡胶材质的直径， e x是橡胶的弹性模量。

21、作为优选方案，所述剪切形变块（45）的竖向压应力计算公式为：

22、

23、其中，是剪切形变块（45）受到的竖向压力为 f j时编号为 i的橡胶材料对应的竖向压应力。

24、作为优选方案，所述建立剪切形变块（45）的竖向应力-剪切模量非线性关系包括以下步骤：

25、计算不同竖向应力下剪切形变块（45）的剪切模量；建立剪切形变块（45）的竖向应力-剪切模量非线性关系；

26、其中，剪切形变块（45）的剪切模量的计算步骤包括：

27、通过力学试验或有限元方法对剪切形变块（45）进行加载试验或计算，得到剪切形变块（45）的力-位移曲线；所述剪切形变块（45）中橡胶材质承压面的等效面积为 a x，剪切形变块（45）中橡胶材质的总厚度为 t x；

28、通过力-位移曲线可以得到位移为时对应的剪切形变块（45）的剪力为 qmax；

29、根据位移为时对应的橡胶剪力 qmax得到剪切形变块（45）的等效刚度，；fj是剪切形变块（45）受到的竖向压力，是竖向压力为fj时编号为i的剪切形变块（45）的等效刚度；

30、则，等效剪切变形为；

31、从而得到了等效剪切变形与竖向压应力的关系，即剪切形变块（45）的竖向应力-剪切模量非线性关系。

32、作为优选方案，建立四氟滑板（24）与顶板（30）之间竖向应力-摩擦系数非线性关系包括以下步骤：

33、计算不同竖向应力下四氟滑板（24）与顶板（30）的摩擦系数；建立四氟滑板（24）与顶板（30）之间的竖向应力-摩擦系数非线性关系；

34、其中，四氟滑板（24）与顶板（30）之间的摩擦系数的计算步骤包括：

35、通过力学试验或有限元方法对接触面积为 a h的四氟滑板（24）与顶板（30）进行加载试验，其中竖向荷载为 f h；在不同的竖向荷载下计算得到竖向压应力，并计算得到对应的四氟滑板（24）与顶板（30）之间的摩擦系数。

36、作为优选方案，所述根据剪切形变块（45）受到的竖向应力、竖向应力-剪切模量非线性关系得到剪切形变块（45）的剪切模量，从而计算得到支座的水平刚度包括以下步骤：

37、根据剪切形变块（45）受到的竖向应力从所述竖向应力-剪切模量非线性拟合关系得到剪切形变块（45）的剪切模量；

38、根据剪切形变块（45）的剪切模量计算剪切模量压应力影响系数；

39、根据剪切模量压应力影响系数计算支座的横向刚度，支座的横向刚度的计算公式为，其中，是剪切模量压应力影响系数， g i，0是当竖向压应力为0时剪切形变块（45）的剪切模量，其中一个硬度下，橡胶材质的剪切形变块（45）承压面的等效面积为 a m，厚度为 t m。

40、作为优选方案，所述基于所述水平刚度和摩擦系数评估钢-橡胶组合桥梁支座的力学性能包括：将包括水平刚度和摩擦系数在内的桥梁支座的力学性能参数输入桥梁有限元模型；根据预设参数选取一组地震时程波，并以地震时程波为水平荷载进行支座非线性时程分析，得到桥梁的最大地震位移和应力-位移关系地震响应，根据桥梁设计规范，评估桥梁支座是否满足力学性能要求。

41、作为相同的构思，还提出了一种钢-橡胶组合桥梁支座力学性能评估装置，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的一种钢-橡胶组合桥梁支座力学性能评估方法。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果：通过本发明的方法可以快速计算出钢-橡胶组合桥梁支座的水平刚度、摩擦系数，进而可以准确且快捷地评估钢-橡胶组合桥梁支座的力学性能。