铅芯橡胶支座的桥梁系统识别

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铅芯橡胶支座的桥梁系统识别R.Y.Tan*，M.C.Huang国立台湾大学土木工程学系，台北，台湾收到1998年1月28日；接受1999年1月18日摘要本文以开发一种识别算法来研究配备了铅芯橡胶支座的隔震公路桥梁的动态特性。一种线性模型用于子结构中而双线性滞回模型用于轴承系统模型。后者的非线性滞回特征是通过一个骨干曲线表示。应用Masing准则可以使允许多值恢复力转化成一个单值函数。因此，这是有效的线性系统的识别方案可以被应用。一个数值例子说明了所提出的辨识方法及其适用性。1999年，爱思唯尔科技有限公司。保留所有版权。关键词：公路桥梁；铅芯橡胶支座；参数识别；双线性滞回；骨干曲线；基础隔震1.引言隔震是一种创新的抗震设计方法，旨在保护建筑物的免遭地震破坏。各种隔离系统，即，板式橡胶支座，铅芯橡胶支座（LRB），纯摩擦或滑动接头系统等性能进行了许多的对比研究[1,2]。在这些系统中，板式橡胶支座用在日本，欧洲和新西兰的一些建筑物中。夹层的铅芯支座在新西兰广泛应用。由于公路大桥也容易受到强地面运动，基础隔震桥梁的设计已经在最近几年引起了极大关注[3]。桥梁结构设计可以通过桥墩和安装在上层建筑和子结构之间的有一定能量的散热装置来耗散地震能量。隔离系统已广泛应用在公路桥梁的支座。事实上，在新西兰从1978年以来铅芯橡胶支座（LRBS）已应用在桥梁的地震隔离。在美国，对于加利福尼亚州的公路桥梁，使用铅芯橡胶支座隔震也被视为一种地震保护策略，这是从塞拉利昂点开销1985年地震改造开始。相对于非隔离式的桥梁，在上部结构和下部结构之间使用这种耗能装置可以大大减少地震引起的桥梁结构受力，特别是桥墩[4]。迄今为止，许多桥梁已与这样的地震保护装置分离，无论是对于抗震加固或新建[5]。然而，值得注意的几个后果，如桥梁支撑的大变形与非弹性行为和桥墩的永久变形可能会导致安全性和维修问题。事实上，为了评价隔离装置的有效性和预测桥梁的动态影响，数值试验可能进行。但是，这种分析的有用性是由所配置的数学模型的真实的表现度来限制的。显然，调查配备铅芯橡胶支座桥梁动态行为的这种逻辑前奏是通过系统识别技术的应用。本论文旨在开发一种识别算法来研究安装有铅芯橡胶支座桥梁中的动态特性。假定桥是在坚硬的沉淀物上。桥墩用线性模型表示，而铅芯橡胶支座的非线性用双线性滞回模型表示。LRB的滞回特性用Masing准则来描述[6]。通过这样做，这种识别方案是有效的，也可以应用于线性系统。2.运动方程如图1所示，在坚硬的地方有一座典型的三跨桥梁。铅芯橡胶支座安装在桥面板与桥墩柱之间。这项措施是用来减少桥墩地震力。减少的力主要是由于占优势的地面运动阶段转变为结构转变阶段和铅芯橡胶支座的滞回特性引起的能量消耗。桥面板是刚性的，考虑到由于轴承的安装使地震力的减少，子结构假定为线性的。本文不考虑的垂直运动。因此，该系统的运动方程可表示为：j=1-4(1)(2)其中分别为第j个桥墩的集中质量，相对于地面位移和恢复力； 分别为桥面（上部结构）的质量和位移（相对于地面）；时第j个铅芯橡胶支座的恢复力；是地面加速度。由于下部结构的表现为线性，恢复力可表示为：（3）分别表示衰减系数和第j个柱式桥墩的刚度。在另一方面，恢复力和位移是非线性关系，因此：（4）其中为粘滞阻尼系数，为一个非线性函数。第j个铅芯橡胶支座的初始弹性刚度可以由表示，在这个初始条件下，联立方程（1）-（4）得：（5）其中为矩阵的列向量，（6）（7） 图1基础隔震桥梁3．双线性滞回模型和位移的关系取决于以前的位移，滞回线除了转折点处外，其它的都是平滑的。那些基于实际滞回特性特提出的大部分模型中，其基本理念是滞回曲线是骨干或骨架的负荷曲线。在稳态荷载的作用下，模型的滞回特性可以使用标准的Masing准则来表示。Masing准则假定作为骨架曲线的滞回线，在卸载和重新加载过程中部分曲线是相同的，但随着两个因素是规模的扩大和原始力转变为反转力。当一个迟滞结构受到瞬变循环荷载或其他常规作用，正如Jennings或Iwan建议那样，这些规则可以用来构造的滞回线[8]。根据一个典型的骨架曲线和马兴标准的磁滞回线，如图2所示。图2基于骨架负荷曲线的滞回线总之，恢复力是一个多值函数。然而，通过应用程序的骨架曲线，它可以是一个单值函数。在这方面恢复力是离散的，而且在第一次卸载后，其可表示为：（8）其中I是最近一次加载的时刻，是在瞬时时刻i和 时桥面板的位移，在本文中表示一个假定双线性骨架曲线函数。把方程（4）和（8）代入方程（1），控制方程在瞬时i变成（附录A）（9）其中（10）骨架曲线的特征是它分别由两条斜率为线段构成，可表示为：(11)其中D表示屈服位移，表示一种特征强度。当把方程（9）右边的式子由表示时，方程可表示为：(12)(13)(14)综上所述，方程（12）-（14）是用于识别的隔离系统的方程。4．识别方案当测量出桥面板和桥墩的位移时，结构识别系统就可以进行。许多系统识别技术被列为输出误差的方法。通过所记录的响应与系统理论响应的差异最小化来得到系统参数。这样评价的参数值被称为一个最优估计值。识别性能从一个固定初始值开始，其中的一个因素就是。根据位移的状态，把所有可用的数据被分为三组。经过多次的最小化过程，获得最佳的。然后赋予这个固定值，并在最小化过程中获得最佳值。同时，便得到了等相应的系统参数。这样就构成了一个循环识别。这可能需要几个周期，以确保后来定义的误差指数收敛。上述的最小化过程作进一步的说明如下。先假设一个屈服位移初始值D，然后通过 来修改。把所有可用的数据分为三组，各组的恢复力如方程（11）中的一个，使用所述第一组中的数据和方程（12），我们把局部适合的测量定义为：（15）参数值可以通过以下方式解决。（16）同样，应用第二组数据和方程（13）可以得到另一个适合的局部测量。（17）这样就可以产生值。最后，通过与方程（14）有关的最小化，就可以得到另一组值。不同数据库中的参数值有或多或少的不同，因此可以采用一个平均值。全球适合的测量被定义为所有部分的总和。（18）在这组数据中，能够产生最小的全球测量的组为最后解。为了比较在识别过程中的收敛性和精度，其误差指数可表示为：（19）其中是记录或测量的响应加速度，是理论或确定的响应。后者是从记录的输入值和所识别的参数值来计算。记为。