橋梁拉索減震支座研發(fā)及應(yīng)用

袁萬(wàn)城　李　涵　田圣澤　黨新志

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上?！?00092)

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橋梁拉索減震支座研發(fā)及應(yīng)用

袁萬(wàn)城李涵田圣澤*黨新志

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)

摘要從目前橋梁減隔震設(shè)計(jì)面臨的“結(jié)構(gòu)地震力與梁體位移”矛盾的平衡問題出發(fā),介紹了新型減隔震支座——拉索減震支座的功能原理、發(fā)展、試驗(yàn)研究與實(shí)橋應(yīng)用。理論研究與實(shí)橋試驗(yàn)均表明拉索減震支座具有很好的減震效果,且能有效控制墩梁間的位移。

關(guān)鍵詞拉索減震支座, 墩梁相對(duì)位移, 擬靜力試驗(yàn), 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

Development and Application of the Bridge Cable-slidingFriction Aseismic Bearing

YUAN WanchengLI HanTIAN Shengze*DANG Xinzhi

(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

AbstractTo solve the problem of balance on the contradiction between structural seismic forces and girder displacements in bridge isolation design, a new isolation bearing, the Cable-sliding Friction Aseismic Bearing, is developed and its function principle, experimental research and practical application are summarized. Conclusions can be drawn from theoretical research and a bridge model experiment that the Cable-sliding Friction Aseismic Bearing has excellent seismic mitigation effects and it can effectively control the displacements between the girder and the pier.

Keywordscable-sliding friction aseismic bearing, displacement between girder and pier, quasi-static test, shaking table test

1引言

近年來,減隔震設(shè)計(jì)一直是抗震研究的熱點(diǎn)問題之一,不同于延性設(shè)計(jì),減隔震設(shè)計(jì)通過延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期并輔以一定的結(jié)構(gòu)耗能,達(dá)到降低橋梁結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力[1]。具體地,橋梁減隔震技術(shù)通常是通過在梁體與墩臺(tái)間放置減隔震支座,降低結(jié)構(gòu)剛度,“削弱”地震動(dòng)自下向上的傳播,或同時(shí)具備一定的耗能作用,達(dá)到減隔震的目的。

減隔震支座的水平向剛度影響著結(jié)構(gòu)受力,一般說來,支座水平剛度越大,結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期越小,結(jié)構(gòu)力動(dòng)響應(yīng)越大,支座位移越小;支座水平剛度越小,結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期越長(zhǎng),結(jié)構(gòu)力響應(yīng)越小,支座位移響應(yīng)越大。對(duì)于一般地震波,尤其是近場(chǎng)地震波,結(jié)構(gòu)所受地震力與結(jié)構(gòu)位移(這里一般指的是墩梁相對(duì)位移)呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的現(xiàn)象,不易調(diào)和。這就是橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)中所謂“力與位移”的矛盾問題。

為了平衡“力與位移”的矛盾問題,減隔震支座通常通過調(diào)整支座參數(shù)如改變橡膠支座的厚度、改變鉛芯橡膠支座的鉛芯剛度[2]、改變球鋼支座的摩擦系數(shù)[3]、改變摩擦擺支座的曲面半徑或摩擦因數(shù)[4]獲得更小或更大的支座水平剛度。剛度選擇的實(shí)質(zhì)就是對(duì)位移的妥協(xié)。疊層橡膠支座在水平荷載作用下穩(wěn)定性較差,僅適用于中小跨徑橋梁;鉛芯橡膠支座耗能能力強(qiáng),但支座動(dòng)力剪切性能受豎向荷載變化大,不能實(shí)現(xiàn)對(duì)多頻特征的地震波進(jìn)行有效的減震、隔震,且隨著鉛芯的增加,支座自恢復(fù)能力逐漸減弱[1];摩擦擺支座復(fù)位能力強(qiáng)、摩擦耗能性能穩(wěn)定[5],但在地震力作用下,球面摩擦副沿曲面的滑動(dòng)將導(dǎo)致梁端產(chǎn)生豎向位移,在超靜定結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生次內(nèi)力,不利于上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

為合理規(guī)避位移過大的風(fēng)險(xiǎn),本文介紹一種通過拉索松緊粗細(xì)能夠調(diào)和“力與位移”平衡問題、具有限位功能與自適應(yīng)性、技術(shù)日益成熟,并已經(jīng)在橋梁減隔震領(lǐng)域逐漸興起的減隔震支座——拉索減震支座。

2拉索減震支座功能原理簡(jiǎn)介

拉索減震支座(圖1)是在普通盆式支座或球鋼支座的基礎(chǔ)上,結(jié)合了柔性較好的鋼絲繩,從而實(shí)現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)遭遇地震時(shí),固定支座抗剪銷釘剪斷,結(jié)構(gòu)體系變?yōu)闇p隔震體系,通過支座滑動(dòng)保護(hù)下部結(jié)構(gòu),并通過拉索裝置限制墩梁位移。拉索支座避免了在墩身、主梁底部設(shè)計(jì)限位纜索的連接錨固,不僅限制了墩梁間的相對(duì)位移,同時(shí)也提供了支座的恢復(fù)力。圖2給出了拉索減震支座的恢復(fù)力模型。

圖1　拉索減震支座示意圖Fig.1　Diagram of the cable-slidingfriction aseismic bearing

圖2　拉索減震支座恢復(fù)力模型Fig.2　Restoring force model of cable-slidingfriction aseismic bearings

圖中可以看出,相較于普通摩擦支座,拉索減震支座具備第三個(gè)線性段,這個(gè)階段支座通過拉索的拉伸提供了支座的恢復(fù)力。通過調(diào)整拉索的長(zhǎng)短粗細(xì),可以控制u0和K2的值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)上述“力與位移”的控制。針對(duì)不同橋梁,拉索減震支座這些參數(shù)的合理選取影響橋梁整體的抗震效果[6-7],這也表明拉索減震支座具備針對(duì)不同橋梁能夠具備自適應(yīng)性。

拉索支座的制作非常簡(jiǎn)單,用于限制位移的拉索也可以進(jìn)行單獨(dú)地拆卸,非常便于震后的復(fù)位或更換。同時(shí),價(jià)格低廉的鋼絲繩使得該支座更換的成本非常低。

3拉索減震支座裝置的發(fā)展

3.1　裝置功能的改進(jìn)

3.1.1拉索的改進(jìn)

拉索部分在拉索減震支座中占據(jù)著舉足輕重的地位,其最終在支座中發(fā)揮的性能直接影響到結(jié)構(gòu)的抗震性能。前期試驗(yàn)中拉索材料使用的是鋼絞線,鋼絞線的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高和松弛性能好,但是在加工過程中不易彎折,給支座組裝帶來不便,且在往復(fù)加載時(shí)出現(xiàn)部分拉索斷絲現(xiàn)象。而鋼絲繩具有柔軟、抗沖擊韌性好、不易驟然整根折斷的特點(diǎn),同時(shí),鋼絲繩的強(qiáng)度和彈性模量等與鋼絞線相差不大,可以滿足支座在力學(xué)方面的要求。

3.1.2易更換功能

在經(jīng)歷強(qiáng)震后,拉索減震支座中的拉索可能會(huì)出現(xiàn)一定的損傷,對(duì)于抵御之后的地震能力就會(huì)下降,因此需要更換出現(xiàn)損傷的拉索[7]。初期的拉索支座不具備易更換拉索的功能,但隨后,通過對(duì)拉索部分進(jìn)行重新的設(shè)計(jì),即在拉索端頭固定件處設(shè)置鋼彈簧墊圈,鋼彈簧墊圈可以起到緩沖的作用,并且可以自由調(diào)節(jié)鋼彈簧墊圈的長(zhǎng)度。拉索裝置的設(shè)置更加靈活,方便檢查和更換。 易更換拉索減震支座構(gòu)建圖見圖3。

3.2　拉索減震支座試驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1足尺擬靜力試驗(yàn)

為獲取拉索減震支座的本構(gòu),作者對(duì)其做了足尺支座擬靜力試驗(yàn)(圖4)。圖5展示了拉索減震支座的荷載-位移滯回曲線。

圖3　易更換拉索減震支座構(gòu)造圖Fig.3　Replaceable cable-sliding friction aseismic bearing

圖5類比了試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬的結(jié)果,結(jié)果顯示有限元模擬分析能夠很好地符合試驗(yàn)結(jié)果,拉索支座的恢復(fù)力-變形圖(圖5)反映出拉索支座本構(gòu)呈現(xiàn)出三段線性的本構(gòu)特征,支座變形小于拉索自由行程時(shí),拉索不起作用,支座呈現(xiàn)普

通球鋼摩擦型支座的本構(gòu)特征,這一階段它具備一定的摩擦耗能能力；當(dāng)支座變形超過一定限值時(shí),拉索的彈性回復(fù)力有效控制了支座的進(jìn)一步變形。值得注意的是拉索剛度的選取直接關(guān)系到橋墩所受剪力的大小,過大的拉索索力值導(dǎo)致橋墩受到一定的破壞,故應(yīng)當(dāng)合理確定其取值。對(duì)于車輛荷載及風(fēng)荷載等外力作用,正常使用狀況下拉索支座與普通支座無(wú)異。

3.2.2實(shí)橋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

圖4　拉索減震支座足尺擬靜力試驗(yàn)Fig.4　Full scale quasi-static test of the cable-sliding friction bearing

為進(jìn)一步驗(yàn)證拉索減震支座的減震效果,利用同濟(jì)大學(xué)多功能振動(dòng)臺(tái)對(duì)某矮塔斜拉橋進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析(圖6)。

圖5　拉索減震支座足尺擬靜力試驗(yàn)結(jié)果Fig.5　Test result of full scale quasi-static test of cable-sliding friction aseismic bearing

本次實(shí)驗(yàn)臺(tái)面加載選取了一條人工合成地震波(南昌波)與一條實(shí)測(cè)地震波(El Centro波),在拉索支座體系下,加載各地震波由PGA 0.1 g開始加載,每次加載完成后檢查結(jié)構(gòu)殘余位移,并將結(jié)構(gòu)復(fù)位,將地震動(dòng)PGA翻倍后繼續(xù)加載,直至PGA達(dá)到0.8 g。圖7、圖8給出了南昌波0.4 g工況下拉索支座減震體系與無(wú)拉索體系(純摩擦體系)的主梁加速度與15#支座變形對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn),在加載至4 s的時(shí)候,梁體加速度突增,這一激增的加速度由拉索支座的索力產(chǎn)生,同時(shí)支座的變形得到了一定的控制。

圖6　矮塔斜拉橋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)Fig.6　Shaking table test of the extradosed cable-stayed bridge

圖7　有無(wú)拉索支座下梁體加速度對(duì)比Fig.7　Comparison of girder accelerationswith/without the CSFAB

圖8　有無(wú)拉索支座下15#墩梁間相對(duì)位移對(duì)比Fig.8　Comparison of deformation of 15#bearing with or without the CSFAB

4應(yīng)用案例介紹

拉索減震支座出色的綜合性能使其在工程結(jié)構(gòu)中受到越來越多的關(guān)注,杭州九堡大橋、南昌朝陽(yáng)大橋、泉州晉江高架橋等經(jīng)過抗震設(shè)計(jì),最終采用了拉索減震支座設(shè)計(jì)方案。表1介紹了幾個(gè)主要應(yīng)用案例。

5結(jié)論

本文從橋梁減隔震設(shè)計(jì)中要解決的地震力與梁體位移的矛盾問題出發(fā),介紹了減隔震支座的減震原理。從現(xiàn)有減隔震支座存在的問題出發(fā),引出具備減震能力并能有效限制梁體位移的拉索減震支座并介紹其研發(fā)過程與發(fā)展,包括足尺擬靜力試驗(yàn)與實(shí)橋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。得出以下結(jié)論:

(1) 拉索減震支座中拉索采用柔性鋼絲繩,易于通過變更支座滑動(dòng)自由行程權(quán)衡墩底所受地震力和墩梁相對(duì)位移的矛盾問題,且震后易更換。

(2) 拉索減震支座具備典型減隔震支座非線性的本構(gòu)特征,能夠有效降低結(jié)構(gòu)所受的地震力。

表1拉索減震支座的部分應(yīng)用案例

Table 1　Cable-sliding friction bearing application cases

(3) 應(yīng)用拉索減震支座的實(shí)橋模型在地震動(dòng)激勵(lì)下,梁體的位移得到了有效的限值,規(guī)避了支座破壞甚至落梁的風(fēng)險(xiǎn)。

拉索減震支座憑借其良好的抗震性能,越來越多地被更多地橋梁采用。

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基金項(xiàng)目：土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(SLDRCE14-B-14), 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478339, 51278376,91315301),江西省科技計(jì)劃項(xiàng)目(20151BBG70064)

收稿日期：2015-08-05

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