midas Civil 技术资料----盆式橡胶支座刚度计算及设置目录midas Civil 技术资料1 ----盆式橡胶支座刚度计算及设置 1 1 概述2 1.1盆式橡胶支座简介 2 1.2 分类 2 1.3结构形式2 1.4相关规范条文对盆式支座选用的规定 4 2 利用midas Civil 模拟普通盆式支座 4 3利用midas Civil 模拟抗震型盆式支座5 3.1反应谱法分析 5 3.2非线性时程分析6 4 例题-盆式橡胶支座的模拟7 4.1不同边界模拟方式 7 4.2模型简介及支座初选 10 4.3支座参数修正 11 5小结 13 参考文献13北京迈达斯技术有限公司 桥梁部2013/04/281 概述1.1盆式橡胶支座简介与普通金属支座相比，橡胶支座具有构造简单，加工方便，造价低，支座高度小，安装便捷等优点。

此外，橡胶支座能方便地适应各方向上的变形，故适合应用户各类变宽桥、斜桥、弯桥等工程[1]P174。

目前应用于桥梁支座的橡胶主要是化学合成的氯丁橡胶（适用温度：-25℃至60℃），三元乙炳橡胶及天然橡胶（适用温度：-40℃至+60℃）。

盆式橡胶支座的主要特点：（一）将纯氯丁橡胶块放置在钢制的凹形金属盆内，由于橡胶处于有侧向受压状态，大大提高了支座的承载能力；（二）金属盆顶面的聚四氟乙烯板与不锈钢板相对摩擦系数小，使活动支座满足了梁的水平移动的要求。

1.2 分类根据通用的使用性能，盆式橡胶支座可分为：（1）双向活动（SX）：具有竖向承载、竖向转动和多向滑移性能（多向滑动铰支座）；（2）单向活动（DX）：具有竖向承载、竖向转动和单一方向滑移性能（单向滑动支座）；（3）固定（GD）：具有竖向承载和竖向转动性能（固定铰支座）1.3结构形式双向活动支座、单向活动支座的滑动向位移量分为五级：±50mm，±100mm，±150mm，±200mm，±250mm。

（1）双向活动支座图1图双向活动支座结构示意图（2）单向活动支座：顺桥向及横桥向最大水平位移分别为300mm及3mm图2单向活动支座结构示意图（3）固定支座图3固定铰支座结构示意图1.4相关规范条文对盆式支座选用的规定《04混规》[2] 中第8.4.5条：盆式橡胶支座应符合下列要求：（1）按竖向荷载（汽车计入冲击系数）标准值组合计算的支座承压力Rck，与《公路桥梁盆式支座》[3] 表中“设计承载力”比较选用;（2）固定支座在各方向和单向活动支座非滑移方向的水平力标准值，不得大于该标准“设计承载力”的10% （抗震型支座不大于20%）;（3）计算的支座转动角度不得大于0.02 rad。

新版《公路桥梁盆式支座》[4]P4规定支座的设计竖向承载力从0.4MN至60MN共分为33级别。

在竖向荷载作用下，支座压缩变形值不得大于支座总高度的2%。

2 利用midas Civil模拟普通盆式支座图4静力线性分析中盆式橡胶支座的刚度设置在一般静力分析中，可通过定义边界条件> 弹性连接>一般（类型）的方式较方便地模拟盆式橡胶支座，如图4所示。

此时需要输入SDx，SDy，SDz，SRx，SRy, SRz，6项刚度数值。

前三项分别指单元局部坐标系下支座单元沿x，y，z三个方向的平动刚度；后三项分别指单元局部坐标系下支座单元沿x，y，z三个方向的转动刚度。

注意，弯桥建模中有时需要根据支座布置方向定义支座节点的局部坐标系和BETA角。

普通盆式支座的参数可按图4设定。

图5为弹性连接的局部坐标示意图。

图5弹性连接的局部坐标系方向3利用midas Civil模拟抗震型盆式支座在抗震分析中，往往需考虑活动盆式橡胶支座的边界非线性特性以反映支座的减振效应。

以衡水橡胶股份有限公司生产的GPZ(KZ)系列公路桥梁抗震盆式橡胶支座[5]P123为例，其隔震工作原理包含三个阶段：首先，当支座水平力大于其设计竖向承载力的20%后，效能板开始滑移，为第一道隔震作用；然后阻尼圈进入工作，发挥第二道减振作用；当地震冲击波超过一定极限时，该系列的刚性抗震起到第三道隔震减振的作用。

虽然抗震型盆式橡胶支座近些年已有较大发展，但由于缺乏试验数据及理论模型，目前暂时无法在midas/Civil中准确模拟。

下面仅根据相关桥梁规范，介绍如何在反应谱法及时程法中简化地模拟盆式支座。

3.1反应谱法分析根据《08细则》[6] 6.3.7及《城市抗震规范》[7] 6.2.6规定，活动盆式橡胶支座的摩擦效应可采用双线性理想弹簧单元模拟，如图6所示。

图 6盆式橡胶支座双线性理想恢复力模型活动摩擦系数活动盆式支座临界滑动摩擦力（kN ）为max d F R μ=(3-1)式中，d μ为滑动摩擦系数，一般为0.02 [6]P26， [7] P32或根据产品手册选取，R 为支座所承担的上部结构重力（kN ）。

抗震型盆式支座的初始（弹性）水平刚度为max y y yF k x =(3-2)类似地，可以得到抗震型盆式支座的初始（弹性）竖向刚度计算公式max,z z zF k x =(3-3)式中x y , x z 为水平屈服位移，一般取支座临界滑动0.003 m [7] P32由于Civil 静力线性分析忽略非线性边界单元，故采用反应谱法计算地震作用时，可通过边界条件 > 弹性连接 >多折线（类型）定义，具体可参考弹性连接设置的相关技术资料。

如图8所示。

定义多折线时，程序默认（0,0）点为起点，第二个位移点按屈服位移xy 考虑，F(y)根据规范按式（3-1）计算，第三个点可输入最大位移限值，如0.05 m ，F(y)保持不变。

3.2非线性时程分析与反应谱法的分析原理不同，弹塑性时程分析求解结构在地震波输入的每一时刻的相应。

因此需要将边界非线性特性按滞回模型考虑。

在midas/Civil 中使用边界条件 > 一般连接 > 滞回系统 来模拟非线性边界的滞回曲线。

具体方法可参考midas Civil 非线性时程分析的相关资料。

图7为midas Civil 的滞回系统模型。

图7 midas/Civil中的非线性边界“滞回系统”根据图7的恢复力模型，弹性刚度k可按式（3-2）结果输入。

如水平力为90kN，则初始刚度为90/0.003=30000kN/m；屈服强度为式（3-1）中的临界滑动摩擦力F max，比如竖向力为5000kN，则F max=5000x0.02=100kN；由于双线性理想模型一般不考虑第二阶段折线的刚度贡献，屈服前后的刚度之比r可输入较小值，如1×10-5；屈服指数（即滞回环参数）可根据厂家指导输入或取程序默认值。

4 例题-盆式橡胶支座的模拟4.1不同边界模拟方式桥梁结构建模时，准确模拟墩柱与梁体的连接情况至关重要。

在此，为了对比说明四种边界模拟方式的差异，对弹性连接（一般）与弹性连接（多折线）进行模拟。

对于弹性连接的一般连接，本例采用“多支座节点模拟”的方法：首先，在盆式支座的下端建立节点，将这些节点按固结约束考虑。

这是一种模拟实际情况的建模方法。

即考虑在墩顶位置墩柱与盆式支座间是完全约束的，不允许发生任何位移及转角；其次，复制刚建立好的支座节点至横梁底标高位置（盆式支座顶端），将其与盆式支座底端节点用边界条件> 弹性连接（类型：一般）连接，根据前述按实际需要输入弹性连接/一般连接的刚度值；最后，用midas/Civil中边界条件> 刚性连接，以主梁节点为主节点，支座顶部单元为从属节点，建立支座顶端节点与主梁单元节点之间的联系。

这种模拟将主梁节点与支座顶部节点形成一个受力整体，能够较真实地模拟支座上下连接的受力情况。

弹性连接（一般）及弹性连接（多折线）设置如图8所示(a)(b)图8 弹性连接设置示意图：(a) 一般(b) 多折线图 9 测试用外加荷载：20000kN （或200kN ）为了说明两种边界条件设置方法的差异，现于节点17分别施加整体坐标系X 方向的20000kN 及200kN 水平力（图9）进行测试，对比结果汇总如表1所示表 1两种弹性连接在不同外荷载作用下结果差异对比节点荷载工况17号节点荷载kNDX(mm) DY(mm) DZ(mm) FX(kN) FY(kN) FZ(kN) 500 (位移) 479 (反力)c L C B 22-200弹性连接（一般）-0.29 -0.02 -0.17 8.61 0.62 38.74 弹性连接（多折线）-0.29-0.01-0.188.620.4239.07-20000弹性连接（一般） -3.22 -0.84 2.63 96.63 25.06 -584.43 弹性连接（多折线）-3.10-0.763.6890.0022.82 -400.00对比发现多折线类型的弹性连接能够考虑结构超过弹性位移极值后的刚度折减。

当水平力较小（200kN ）时，由于SDx, SDy, SDz 三个方向线位移均未超过输入的弹性位移限值，两种弹性连接类型得到的效应值相近；当水平力增大后（20000kN ），多折线模型的弹性位移结果超过了设定的位移限值，计算结果较之弹性连接（一般）模型得到的结果有明显不同。

说明弹性连接（多折线）能更精确模拟实际盆式支座的受力特点。

4.2模型简介及支座初选已某单跨简支先张空心板梁桥为例，进一步说明如何选取支座。

模型具体参数详见参考文献[7]例题一。

考虑桥面较宽，支座布置方式如图错误！未找到引用源。

所示。

图10铰支座布置图以上述方式形成边界条件后，按照图4的方式，将被约束的自由度刚度设为1×107KNm，其余均设为0。

在恒荷载和汽车荷载（考虑冲击系数）组合下，算得边板及中板的支座反力如图11、12所示。

图11恒荷载和汽车荷载（含冲击系数）下边板支座反力（单位：KN）图 12恒荷载和汽车荷载（含冲击系数）下中板支座反力（单位：KN ）可以看出，边板最大值为0.421 MN ，中板最大值为0.344 MN 。

根据相关产品手册，选取多级水平力抗震型盆式支座如下：表 2 盆式支座性能参数型号 [8]P41，47，54支座高度 mm 临界水平位移(mm) 临界竖向位移(mm) [3] P4竖向承载力(kN) 水平承载力*(kN) 固定铰 JPZ (III)-0.5-GD 95 - 1.9 500 112.5 单向活动铰 JPZ （III ）-0.4-DX 90 3 1.8 400 90 双向活动铰JPZ （III ）-0.4-SX9031.840090*水平承载力取竖向承载力的22.5%各支座水平位移限值取0.003m 。

另根据《04混规》8.4.5条，各支座的支座转动角度不得大于0.02 rad 。