多道防線抗震球型鋼支座的開發(fā)和試驗

彭天波，于訓(xùn)濤，王立志，張培基

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海200092；3.豐澤工程橡膠科技開發(fā)股份有限公司，河北 衡水053000）

橋梁減隔震設(shè)計方法是一種能夠有效減輕橋梁結(jié)構(gòu)在地震中遭受損壞的設(shè)計方法，它主要利用減震裝置消耗傳入結(jié)構(gòu)體系的振動能量，并采用隔震裝置將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件與可能引起破壞的地震運(yùn)動分離開來，從而大幅減少傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震作用，提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性［1－3］.最簡單的實現(xiàn)減隔震設(shè)計的方法是采用具有減隔震功能的支座代替普通橋梁支座.

大部分國家的橋梁抗震設(shè)計方法采用的是兩水平設(shè)防.例如在《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》中規(guī)定，對于除單跨跨徑超過150m的特大橋以外的高速公路和一級公路上的橋梁及二級公路上的大橋、特大橋等其抗震設(shè)防目標(biāo)是小震（E1水平地震作用，重現(xiàn)期約為50～100年）不壞，大震（E2水平地震作用，重現(xiàn)期約為2 000年）不倒.近期發(fā)生的幾次大地震，如汶川地震，之所以造成如此嚴(yán)重的破壞，一個很重要的原因就是實際地震烈度遠(yuǎn)高于預(yù)計的設(shè)防烈度［4］.因此鑒于地震發(fā)生時間、地點和烈度的不確定性，橋梁結(jié)構(gòu)遭受大于規(guī)范規(guī)定的E2地震作用的可能性是不容忽視的.由于現(xiàn)行規(guī)范沒有明確這種情況下的橋梁抗震性能要求，本文建議即使在大于E2水平的地震作用下也不出現(xiàn)倒塌、落梁等嚴(yán)重影響交通安全、危害人員生命的震害現(xiàn)象.建議的橋梁各級抗震性能要求與相應(yīng)的地震作用水平的關(guān)系如表1，表中 MPE（maximum possible earthquake）代表橋梁結(jié)構(gòu)在壽命期內(nèi)可能遭受的最強(qiáng)烈的地震作用.

如表1所示，本文建議連續(xù)梁橋抗震設(shè)計方法采用的是三水平設(shè)防，就是針對前述的E1，E2，MPE這3級地震作用水平相應(yīng)地要求橋梁具有不同的抗震性能.在E1水平地震作用下，主要是通過固定支座和橫向活動支座來承受縱橋向地震水平力的作用，固定支座和縱向活動支座承受橫橋向地震水平力的作用，同時橋墩及其基礎(chǔ)也需要具有一定的初始強(qiáng)度，以保證在E1水平地震作用下保持完好.在E2水平地震作用下，支座需要轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袦p隔震功能的支座，從而使得橋梁體系轉(zhuǎn)變?yōu)橐惶诇p隔震系統(tǒng)以保護(hù)橋梁整體結(jié)構(gòu)的抗震安全.在MPE水平地震作用下，這些支座應(yīng)該轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹缆淞汗δ艿闹ё?，同時啟動下部結(jié)構(gòu)的延性抗震能力以防止橋梁發(fā)生倒塌、落梁等震害現(xiàn)象.顯然支座體系在不同水平的地震作用下應(yīng)具有不同的功能要求.

表1 橋梁各級抗震性能要求與相應(yīng)的地震作用水平的關(guān)系Tab.1 Seismic performance requirements and the corresponding seismic intensities

常規(guī)的減隔震支座多是采用一水平設(shè)防（只配有減隔震裝置）或二水平設(shè)防（只配有剪力銷和減隔震裝置）的抗震性能要求，這些支座不能實現(xiàn)三水平設(shè)防的橋梁抗震設(shè)計理念.為了滿足連續(xù)梁橋三水平設(shè)防的抗震性能要求，開發(fā)了一種多道防線抗震球 型 鋼 支 座 （multi－defense aseismic spherical bearing，MDAS支座），該支座結(jié)合了保證正常使用、剪力銷抗剪、摩擦耗能、懸臂棒彎曲耗能、剛性擋塊防落梁、豎向抗拉等多項功能，應(yīng)用了多道抗震防線的思想，可以保證橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用功能和最大限度地保障橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全.

本文首先闡述MDAS支座的構(gòu)造特點和工作機(jī)理，然后通過力學(xué)性能試驗表明MDAS支座可以實現(xiàn)三水平設(shè)防的橋梁抗震設(shè)計方法，并具有穩(wěn)定可靠的抗震性能.

1 MDAS支座的構(gòu)造特點

根據(jù)支座在正常使用下和小震作用下的狀態(tài)不同，MDAS支座系列產(chǎn)品可以分為固定、縱向活動、橫向活動和雙向活動4類.根據(jù)懸臂棒布置的位置，即減隔震方向的不同，系列產(chǎn)品可以分為雙向減隔震、縱向減隔震和橫向減隔震3類.單向減隔震只需要在1個方向設(shè)置懸臂棒，而雙向減隔震則需要在2個方向設(shè)置懸臂棒.對以上幾類支座進(jìn)行組合，可以得到以下12類產(chǎn)品：即固定且雙向減隔震MDAS支座、固定且縱向減隔震MDAS支座、固定且橫向減隔震MDAS支座、縱向活動且雙向減隔震MDAS支座、縱向活動且縱向減隔震MDAS支座、縱向活動且橫向減隔震MDAS支座、橫向活動且雙向減隔震MDAS支座、橫向活動且縱向減隔震MDAS支座、橫向活動且橫向減隔震MDAS支座、雙向活動且雙向減隔震MDAS支座、雙向活動且縱向減隔震MDAS支座、雙向活動且橫向減隔震MDAS支座.

以1個縱向活動且橫向減隔震MDAS支座為例，其構(gòu)造特點如圖1.支座由上滑板、上支座板、球芯、底座、底板、剪力銷、懸臂棒、剛性擋塊、導(dǎo)軌等部件以及活動面之間的摩擦副組成.上支座板、球芯、底座與底板之間的平面和球面活動面可以適應(yīng)支座平動和轉(zhuǎn)動的需要.對支座運(yùn)動的約束有2種方式：采用剪力銷或者采用導(dǎo)軌.區(qū)別在于，采用剪力銷只能對正常使用下和E1水平地震作用下的水平位移進(jìn)行約束，而如果采用導(dǎo)軌，則在任何情況下導(dǎo)軌的1個方向的相對位移受到約束，而另外1個方向的是相對自由的.對于圖1中縱向活動、橫向約束的支座，上滑板與上支座板之間可以自由地相對滑動以實現(xiàn)支座的縱向活動，底座與底板之間縱橋向是采用導(dǎo)軌約束的，橫橋向通過剪力銷抗剪，剪力銷剪斷后可以相對運(yùn)動.

在上滑板兩側(cè)部分區(qū)段增加了板的厚度，在加厚段下方加工了可以容納懸臂棒端頭的凹槽.懸臂棒根部固定在底板上，端頭嵌入凹槽，保證其可以與上滑板一起運(yùn)動.剛性擋塊固定在底板上，其內(nèi)側(cè)與懸臂棒根部內(nèi)側(cè)平齊，可以確保在懸臂棒折斷后擋住底座，防止支座各部件沿側(cè)向相互脫離，從而喪失對上部結(jié)構(gòu)的支承作用.通過導(dǎo)軌外凸部分的相互扣拉實現(xiàn)豎向抗拉功能，防止支座沿豎向相互脫離.

2 MDAS支座的工作機(jī)理

以1個4跨連續(xù)梁橋為例，分別介紹在縱橋向地震和橫橋向地震作用下MDAS支座的工作機(jī)理.此連續(xù)梁橋設(shè)置了1個固定墩和4個活動墩，在固定墩上安裝了1個固定且縱向減隔震MDAS支座和1個橫向活動且縱向減隔震MDAS支座，在每個活動墩上各安裝了1個縱向活動且縱向減隔震MDAS支座和1個雙向活動且縱向減隔震MDAS支座.具體的支座布置形式如圖2所示.

圖1 MDAS支座的構(gòu)造示意Fig.1 Configuration of a MDAS bearing

圖2 采用三水平設(shè)防抗震設(shè)計的連續(xù)梁橋示例Fig.2 The bridge example designed with the proposed seismic design method

首先考慮縱橋向的抗震性能.在E1水平地震作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)所受的水平力主要是由固定且縱向減隔震MDAS支座（支座1）和橫向活動且縱向減隔震MDAS支座（支座2）的限制支座水平縱向相對位移的剪力銷來抵抗的.這是設(shè)計的第1道抗震防線.

一旦在E2水平地震作用下，支座承受的水平地震作用大于某一設(shè)計值，則相應(yīng)的剪力銷被剪斷，連續(xù)梁橋固定墩的支座1和支座2立即進(jìn)入減隔震工作狀態(tài)，起到吸收和耗散地震能的作用.對于活動墩的縱向活動且縱向減隔震型MDAS支座（支座3）和雙向活動且縱向減隔震MDAS支座（支座4），如果地震位移不大于設(shè)計的正常使用滑移量，則該支座只能通過摩擦的形式耗能.如果地震位移大于設(shè)計的正常使用滑移量，則懸臂棒將發(fā)生彎曲變形，也起到耗能作用.這是設(shè)計的縱橋向第2道抗震防線.

在MPE水平地震作用下，一旦達(dá)到允許的最大支座位移，可以通過所有支座在懸臂棒外側(cè)設(shè)置剛性擋塊和豎向抗拉措施保證支座的整體性，最大限度地保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全.到了這一步，支座的抗震能力就已經(jīng)用到了極限，進(jìn)一步的抗震要求只能通過下部結(jié)構(gòu)的延性抗震來予以抵抗.這就是設(shè)計的第3道抗震防線.

接下來考慮橫橋向的抗震性能.在E1水平地震作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)所受的水平力主要是由支座1和支座3的限制支座水平橫向相對位移的剪力銷來抵抗的.這是設(shè)計的第1道抗震防線.

一旦在E2水平地震作用下，支座承受的水平地震作用大于某一設(shè)計值，則相應(yīng)的剪力銷被剪斷，支座1和支座3立即進(jìn)入減隔震工作狀態(tài)，起到吸收和耗散地震能的作用.對于支座2和支座4，如果地震位移不大于設(shè)計的正常使用滑移量，則該支座只能通過摩擦的形式耗能.如果地震位移大于設(shè)計的正常使用滑移量，則懸臂棒將發(fā)生彎曲變形，起到耗能作用.這是設(shè)計的橫橋向第2道抗震防線.

同樣在MPE水平地震作用下，可以通過所有支座的剛性擋塊和豎向抗拉措施保證支座的整體性，觸發(fā)橋梁下部結(jié)構(gòu)的延性抗震能力來保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全.這作為設(shè)計的第3道抗震防線.

3 MDAS支座的力學(xué)性能試驗研究

為了驗證MDAS支座的抗震性能，同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室對一個足尺的縱向活動且橫橋向減隔震MDAS支座進(jìn)行了力學(xué)性能試驗研究.根據(jù)三水平設(shè)防的橋梁抗震設(shè)計要求對支座試樣提出了相應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)要求，如表2所示.

整個循環(huán)測試過程中支座沒有破壞，表2中列出了相應(yīng)的試驗結(jié)果，支座的各項指標(biāo)均滿足三水平設(shè)防的橋梁抗震設(shè)計所提出的要求.試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)位移幅值±100mm時的等效阻尼比為46.1%，等效剛度為7.645kN·mm－1.

表2 支座試樣的設(shè)計指標(biāo)要求和試驗結(jié)果Tab.2 Design requirements and test results of the MDAS bearing

支座的水平滯回曲線給出的是支座側(cè)向位移與水平荷載之間的關(guān)系，它反映了支座的剛度和耗能能力.在滯回性能試驗中，首先施加豎向設(shè)計荷載，然后施加幅值為±10，±20，±50和±100mm的水平位移，每個位移做5次水平往復(fù)循環(huán)運(yùn)動，記錄試驗中的水平位移與相應(yīng)的水平荷載.試驗測得的支座水平滯回曲線見圖3，支座的等效阻尼比比較大，滯回環(huán)飽滿，耗能能力良好；支座的減隔震性能非常穩(wěn)定，曲線的重合性比較好，表明該支座的減隔震能力非常可靠.

圖3 試驗測得的支座水平滯回曲線Fig.3 Horizontal hysteresis curve of bearing measured in the test

4 結(jié)論

（1）建議的三水平設(shè)防的抗震設(shè)計方法結(jié)合了減隔震設(shè)計方法和延性抗震設(shè)計方法的優(yōu)點，能夠更好地控制橋梁的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)抗震能力.

（2）MDAS支座可以滿足三水平設(shè)防的抗震設(shè)計方法對支座力學(xué)性能的要求.

（3）支座的等效阻尼比比較大，滯回環(huán)飽滿，耗能能力良好，具有較好的減隔震效果.

［1］范立礎(chǔ)，王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計［M］.北京：人民交通出版社，2001.FAN Lichu，WANG Zhiqiang.Isolation design of bridge［M］.Beijing：China Communications Press，2001.

［2］周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制［M］.北京：地震出版社，1997.ZHOU Fulin.Earthquake reduction control for engineering structure［M］.Beijing：Earthquake Press，1997.

［3］Kelly T E.Base isolation of structures—design guidelines［R］.Wellington：Holmes Consulting Group Ltd，2001.

［4］王亞勇，王言訶.汶川大地震建筑震害啟示［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38（7）：1.WANG Yayong，WANG Yanhe.The revelation of earthquake damage in Wenchuan Earthquake［J］.Building Structure，2008，38（7）：1.