技术领域本发明属于桥梁抗震技术领域，涉及一种桥梁结构隔震设计方法，尤其是涉及一种基于人工地震波拟合的铅芯橡胶支座等效线性化模型及使用此模型进行桥梁结构隔震的设计方法。
背景技术：
桥梁结构隔震设计是通过设置水平隔震支座，延长结构自振周期，削弱地震能量传递，减小地震作用下的结构响应，从而在最大程度上保障桥梁的抗震安全性。地震作用下，隔震支座进入非线性受力状态，需通过非线性时程分析以获得精确解。但是非线性时程分析方法比较复杂，不易于被桥梁技术人员掌握，故有必要将隔震支座的非线性特征做等效线性化处理，进而采用线性分析方法进行桥梁隔震设计。隔震支座的等效线性化是在支座水平剪切变形量相当的意义上用等效的水平刚度和阻尼比来考虑支座屈服后刚度退化和塑性耗能，从而将非线性问题转化为线性问题。鉴于其物理意义明确，应用简便的特点，我国以及国外的抗震规范都引入了等效线性化方法。目前，已提出的等效线性化方法可归为两类，一类是从概念推导出的理论模型，另一类是由统计分析回归得到的经验模型。总体来说，经验模型的准确度比理论模型更高。但是，经验模型也有其适用条件，并非对任何地震作用都能得到比较准确的计算结果，因为已有经验模型是由数量有限且具有不同于设计加速度反应谱特征的天然地震波拟合得到的。实际工程中，常采用人工合成地震波进行桥梁抗震设计，人工地震波与天然地震波在加速度反应谱特征上存在显著差异，使用已有经验模型的准确性必然会降低。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种铅芯橡胶支座等效线性化模型建模方法及其桥梁隔震应用，解决现有铅芯橡胶支座等效线性化经验模型的不足，具有设计准确性高、降低设计工作难度等优点。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种铅芯橡胶支座等效线性化模型建模方法，包括以下步骤：1)采用一弹塑性系统描述铅芯橡胶支座的力学特征；2)根据桥梁抗震设计规范合成人工地震波，获取弹塑性系统在所述人工地震波作用下的弹塑性位移谱；3)构造对与弹塑性系统相应的等效线性系统的参数进行识别的误差函数：4)采用修正的高斯-牛顿算法识别等效线性系统的参数；5)根据识别出的参数，拟合出铅芯橡胶支座的等效线性化模型。所述步骤3)中，构造的误差函数具体为：F(β1,β2)=Σi=1n[Sd(β1,β2,T0,i)-Sμ(T0,i)Sμ(T0,i)]2]]>式中，Sd为等效线性系统的位移谱，Sμ是延性比为μ的弹塑性系统的弹塑性位移谱，T0,i为弹塑性系统初始自振周期，n为位移谱的周期点数，β1＝Te/T0为自振周期比，Te为等效自振周期，T0为弹塑性系统初始自振周期，β2＝ξe为等效阻尼比，β1与β2即为所要识别等效线性系统的参数。所述步骤5)，铅芯橡胶支座的等效线性化模型具体为：KeK0=[μ1+0.155(μ-1)]-1·(μ2+2.036μ+114.345μ2+147.384)-2]]>ξe=2(1-0.155)(μ-1)πμ[1+0.155(μ-1)]·2.362μ2+49.847μ2+175.514+0.05]]>其中，Ke为等效刚度，ξe为等效阻尼比，K0为铅芯橡胶支座的初始刚度，μ为铅芯橡胶支座的延性比。一种基于等效线性化模型的铅芯橡胶支座桥梁隔震设计方法，包括以下步骤：步骤S1：建立桥梁结构整体有限元模型，设定铅芯橡胶支座水平位移控制目标Δobj；步骤S2：初步选取铅芯橡胶支座参数；步骤S3：设定铅芯橡胶支座水平位移初始值Δi；步骤S4：计算与Δi对应的铅芯橡胶支座延性比μ，根据μ及上述等效线性化模型，计算铅芯橡胶支座等效刚度Ke和等效阻尼比ξe；步骤S5：计算地震作用下铅芯橡胶支座的水平位移值，取最大值为Δn；步骤S6：判断Δi与Δn的偏差是否大于容许值，若是，则以Δn为水平位移初始值，返回步骤S4，若否，则将Δn作为铅芯橡胶支座的实际水平位移最大值；步骤S7：判断Δn是否满足Δn＞Δobj，若是，则调节铅芯橡胶支座参数，返回步骤S3，若否，则此时的铅芯橡胶支座参数即为最终的设计参数。所述步骤S5中，采用线性时程分析方法计算地震作用下铅芯橡胶支座的水平位移值。所述桥梁结构包括简支梁桥、连续梁桥、外部简支的系杆拱桥中的任一种。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、采用与我国桥梁抗震设计规范相匹配的人工地震波拟合铅芯橡胶支座等效线性化模型，提高铅芯橡胶支座桥梁隔震设计结果的准确性；2、基于本发明的等效线性化模型，可以采用线性分析方法进行桥梁隔震设计，降低了桥梁技术人员的工作难度，有利于隔震技术的推广，从而提高我国桥梁结构的抗震能力，减少地震灾害损失。附图说明图1为本发明隔震参数设计流程示意图；图2为本发明实施例选用的一条人工地震波时程曲线图；图3为图2中人工地震波的加速度反应谱与相应的设计加速度反应谱对比图；图4为本发明的Te/T0与μ关系拟合曲线示意图；图5为本发明的ξe与μ关系拟合曲线示意图；图6为本发明实施例的桥梁结构有限元模型示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。一种铅芯橡胶支座等效线性化模型建模方法，理论基础是铅芯橡胶支座的力学特征可用弹塑性系统进行描述，等延性比条件下的弹塑性位移谱可由一个线弹性系统的位移谱来近似，该线弹性系统就是所求的等效线性系统。该建模方法具体包含以下步骤：1)采用一弹塑性系统描述铅芯橡胶支座的力学特征，该弹塑性系统的屈服刚度折减系数为0.155、材料阻尼比为0.05。2)根据桥梁抗震设计规范合成人工地震波，如图2所示，获取弹塑性系统在人工地震波作用下的弹塑性反应谱。根据我国桥梁抗震设计规范对6～9度设防区的大、中、小震设防水准的划分，选取的地震动峰值加速度包含0.025g、0.05g、0.1g、0.125g、0.2g、0.22g、0.4g和0.62g，根据我国桥梁抗震设计规范对场地类别的划分，按均匀分布原则选取的特征周期包含0.25s、0.35s、0.45s、0.55s、0.65s、0.75s和0.9s，将上述地震动峰值加速度和特征周期进行组合，作为设计加速度反应谱控制参量合成人工地震波，共计56条。获取弹塑性系统在人工地震波作用下的弹塑性位移谱时，按延性比μ分别为2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、24、28、32、36、40、45和50，以及初始自振周期范围0.2～2s，间隔为0.1s，作为控制参量。3)构造对与弹塑性系统相应的等效线性系统的参数进行识别的误差函数F(β1,β2)：F(β1,β2)=Σi=1n[Sd(β1,β2,T0,i)-Sμ(T0,i)Sμ(T0,i)]2]]>式中，Sd为等效线性系统的位移谱，Sμ是延性比为μ的弹塑性系统的弹塑性位移谱，T0,i为弹塑性系统初始自振周期，n为位移谱的周期点数，β1＝Te/T0为自振周期比，Te为等效自振周期，T0为弹塑性系统初始自振周期，β2＝ξe为等效阻尼比，β1与β2即为所要识别等效线性系统的参数。4)采用修正的高斯-牛顿算法识别等效线性系统的参数。5)根据识别出的参数β1、β2及其分布特征，分别拟合出周期比～延性比和等效阻尼比～延性比的曲线及关系式，如图4和图5所示：TeT0=[μ1+0.155(μ-1)]1/2·μ2+2.036μ+114.345μ2+147.384]]>ξe=2(1-0.155)(μ-1)πμ[1+0.155(μ-1)]·2.362μ2+49.847μ2+175.514+0.05]]>根据刚度比与周期比的关系Ke/K0＝(Te/T0)-2，可以得到：KeK0=[μ1+0.155(μ-1)]-1·(μ2+2.036μ+114.345μ2+147.384)-2]]>ξe=2(1-0.155)(μ-1)πμ[1+0.155(μ-1)]·2.362μ2+49.847μ2+175.514+0.05]]>其中，Ke为等效刚度，ξe为等效阻尼比，K0为铅芯橡胶支座的初始刚度，μ为铅芯橡胶支座的延性比。关系式Ke/K0和ξe即为铅芯橡胶支座的等效线性化模型。如图1所示，基于上述等效线性化模型的铅芯橡胶支座桥梁隔震设计方法，包括以下步骤：步骤S1：建立桥梁结构整体有限元模型，设定铅芯橡胶支座水平位移控制目标Δobj。步骤S2：初步选取铅芯橡胶支座参数。步骤S3：设定铅芯橡胶支座水平位移初始值Δi。步骤S4：计算与Δi对应的铅芯橡胶支座延性比μ，根据μ及建立的铅芯橡胶支座等效线性化模型，计算铅芯橡胶支座等效刚度Ke和等效阻尼比ξe。步骤S5：采用线性时程分析方法计算地震作用下铅芯橡胶支座的水平位移值，取最大值为Δn。步骤S6：判断Δi与Δn的偏差是否大于容许值tol，若是，则以Δn为水平位移初始值，返回步骤S4，若否，则将Δn作为铅芯橡胶支座的实际水平位移最大值。步骤S7：判断Δn是否满足Δn＞Δobj，若是，则调节铅芯橡胶支座参数，返回步骤S3，若否，则此时的铅芯橡胶支座参数即为最终的设计参数。采用一实例做进一步说明。一座3×30m小箱梁桥，上部结构为4片小箱梁，梁距3m，下部结构盖梁截面2×2.5m，墩柱截面1.6×2.5m，高度5m，承台高度2m，小箱梁混凝土强度等级C50，盖梁C50，墩柱C40，承台C30，铅芯橡胶支座竖向刚度1×108kN/m，水平初始刚度20600kN/m，屈服刚度折减系数0.155，水平屈服承载力134kN。上述桥梁结构的整体有限元模型如图6所示。采用上述建模方法建立铅芯橡胶支座等效线性化模型，其中，选用人工地震波时程曲线如图2所示，其峰值加速度为0.2g，特征周期为0.45s，该人工地震波的加速度反应谱与相应的设计加速度反应谱对比如图3所示。基于上述铅芯橡胶支座等效线性化模型进行隔震设计的过程如下：(1)假定铅芯橡胶支座初始水平位移值Δi＝0.2m，计算与之对应的延性比μ＝30.7。(2)根据延性比μ＝30.7及等效线性化模型，计算铅芯橡胶支座的等效刚度Ke＝3564kN/m，等效阻尼比ξe＝0.239，进而可得阻尼系数c＝517kN·s/m。(3)采用线性时程分析方法计算地震作用下铅芯橡胶支座的水平位移，其最大值为Δn＝0.158m。输入地震波的峰值加速度为0.62g，特征周期0.45s。(4)Δi与Δn的偏差大于容许值0.001m，则将Δi＝0.158m作为初始水平位移，重复以上计算过程，直至Δi与Δn的偏差小于等于容许值0.001m。最终，铅芯橡胶支座水平位移计算值收敛于0.148m，此值即为铅芯橡胶支座水平位移最大值。采用非线性时程分析方法计算得到的铅芯橡胶支座水平位移最大真实值为0.131m，可以看出，使用本发明的计算结果与真实值非常接近，其准确性可以满足桥梁设计要求。