采用拉索支座的橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

楊浩林， 田圣澤， 龐于濤， 袁萬城

(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)

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采用拉索支座的橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

楊浩林， 田圣澤， 龐于濤， 袁萬城

(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)

以南昌朝陽(yáng)大橋?yàn)楸尘?，設(shè)計(jì)了半結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，介紹了模型設(shè)計(jì)的過程.根據(jù)橋梁是否采用拉索支座，將模型分為拉索支座體系與摩擦支座體系兩種，選取了南昌朝陽(yáng)大橋場(chǎng)地人工波與El Centro地震波進(jìn)行兩種體系下模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載.分析了各工況下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的響應(yīng)，分析解釋了拉索支座限位原理.結(jié)果表明，在地震作用下，墩梁位移響應(yīng)較小時(shí)，拉索支座具備與普通摩擦支座相似的減震特性；而在墩梁位移響應(yīng)較大時(shí)，拉索支座通過為主梁提供瞬時(shí)加速度，控制墩梁位移，限制其進(jìn)一步增加.

橋梁； 抗震設(shè)計(jì)； 減隔震設(shè)計(jì)； 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)； 拉索減震支座

在現(xiàn)行的各種橋梁抗震設(shè)計(jì)方法中，支座減隔震設(shè)計(jì)由于其良好的減隔震效果與震后易更換修復(fù)的特性，自其誕生以來就被全世界橋梁工作者所廣泛采用[1]，也正被國(guó)內(nèi)越來越多的橋梁工作者所采用.但進(jìn)行支座減隔震設(shè)計(jì)的橋梁最易發(fā)生且最為嚴(yán)重的震害之一是由于主梁與橋墩之間相對(duì)位移過大，超過了支座變形或位移能力極限之后發(fā)生的落梁.

為了防止這種災(zāi)害，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)與多名專家學(xué)者展開了廣泛的研究.Zayas等[2]曾提出了具有自復(fù)位功能的摩擦擺支座.George等[3]提出了具有自復(fù)位功能的滾筒式支座并進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn).Reginald等[4]提出了采用拉索限制墩梁位移的方法并對(duì)其進(jìn)行了橋梁足尺擬靜力試驗(yàn).國(guó)內(nèi)李建中等[5]提出了自復(fù)位雙曲面球型減隔震支座并對(duì)其展開了一系列研究.袁萬城等[6]提出了在傳統(tǒng)減隔震支座上下板之間添加拉索限制相對(duì)位移，并由此開發(fā)出了拉索減隔震支座.其中拉索減隔震支座由于其簡(jiǎn)單有效的構(gòu)造以及可以與多種支座相結(jié)合共同使用的特性，在國(guó)內(nèi)的大小工程中都有所應(yīng)用，其中包括江西南昌朝陽(yáng)大橋，但到目前為止，該支座還沒有經(jīng)過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的考驗(yàn).

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)由于其可以較好地再現(xiàn)地震過程，使其成為研究結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理以及抗震措施有效性最為直接有效的方法，一直以來也得到結(jié)構(gòu)抗震工作者的青睞與廣泛應(yīng)用.閆聚考等[7]以泰州長(zhǎng)江大橋?yàn)楸尘?，通過1/40縮尺比振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了三塔懸索橋的地震響應(yīng)特性，對(duì)比了多種抗震體系的異同.周敉等[8]通過1/60縮尺比振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)與有限元模擬相結(jié)合的方法，對(duì)獵德大橋的抗震性能進(jìn)行了研究.Padgett等[9]進(jìn)行了1/4縮尺比的采用記憶金屬限位器的混凝土梁橋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，并采用有限元方法進(jìn)行了試驗(yàn)仿真與拓展研究.Cheng[10]對(duì)一個(gè)具有自復(fù)位功能的橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了搖擺橋墩的抗震機(jī)理.

本文以南昌朝陽(yáng)大橋?yàn)楸尘?，在同?jì)大學(xué)地震工程館多功能4臺(tái)聯(lián)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了半橋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，研究的重點(diǎn)是驗(yàn)證拉索支座的減震限位效果，并分析拉索限位原理.

1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1總體布置

南昌朝陽(yáng)大橋主橋跨徑布置為79 m+5×150 m+79 m=908 m，主橋采用對(duì)稱布置6塔矮塔斜拉橋，塔梁固結(jié)，塔墩分離.主梁波形鋼腹板PC組合箱梁，承臺(tái)以上平均塔高74 m，橋塔、橋墩及承臺(tái)基礎(chǔ)部分均為混凝土材料,如圖1所示.

圖1　朝陽(yáng)大橋(單位:m)Fig.1　Chaoyang Bridge(unit: m)

朝陽(yáng)大橋主橋全橋較長(zhǎng)，主塔較多，如果將邊跨橋墩也計(jì)算在內(nèi)，總共有8個(gè)獨(dú)立橋墩需要與振動(dòng)臺(tái)連接，由于主橋?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，且本文的主要研究目的是借助橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究拉索支座限位原理，綜合考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞攸c(diǎn)與實(shí)驗(yàn)室條件，最終將模型設(shè)計(jì)為3塔半橋試驗(yàn)，邊墩(14#)以及3個(gè)主墩(15#,16#及17#)分別布置在4個(gè)獨(dú)立振動(dòng)臺(tái)上，主橋跨中位置布置邊界條件,如圖2所示.

圖2　朝陽(yáng)大橋振動(dòng)臺(tái)模型(單位:m)Fig.2　Shakingtable test model of Chaoyang Bridge(unit: m)

1.2模型參數(shù)

模型設(shè)計(jì)選取幾何相似比、彈性模量相似比和加速度相似比作為模型設(shè)計(jì)控制參數(shù)，其余物理量相似比均可根據(jù)上述3種相似比通過量綱分析得到.表1列出了模型各物理量相似比.

模型橋墩材料采用微?；炷?選擇原橋主墩5個(gè)關(guān)鍵截面作為控制截面，截面尺寸按照幾何相似比1/20進(jìn)行縮尺設(shè)計(jì)，控制截面之間則以直代曲進(jìn)行連接，邊墩同理.原橋橋塔與主梁需要固結(jié)，出于模型加工以及后期模型安裝方便程度考慮，主梁與橋塔部分采用鋼材代替.但由于采用鋼材以后，材料彈性模量不滿足相似比要求，故采用相應(yīng)截面抗彎剛度等效原則進(jìn)行設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)完成的橋墩，主梁與橋塔尺寸如圖3所示.塔梁間的斜拉索采用鋼絲繩模擬，并串聯(lián)力傳感器與花籃螺栓，通過調(diào)節(jié)花籃螺栓的松緊程度來控制斜拉索的索力.

表1　模型相似比Tab.1　Similarity ratio of model

a邊墩 b主墩c橋塔d主梁

圖3模型細(xì)部尺寸(單位:mm)

Fig.3Detailed dimensions of test model(unit: mm)

在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)本身慣性力在試驗(yàn)過程中至關(guān)重要，為了滿足模型質(zhì)量相似比，需要在模型基礎(chǔ)上配重.配重的方法為，根據(jù)相似比計(jì)算出試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦碚撡|(zhì)量，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缫约八x材料計(jì)算出試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)際質(zhì)量，兩者的差值即為配重質(zhì)量.模型各部位配重質(zhì)量如表2所示.

表2　模型配重表Tab.2　Additional weight of test model　t

本試驗(yàn)為半橋試驗(yàn)，需要在跨中位置賦予結(jié)構(gòu)邊界條件裝置.安裝完成后的邊界條件裝置如圖4所示.

圖4　邊界條件裝置Fig.4　Device of boundary condition

1.3拉索支座

拉索支座的基本原理是在常規(guī)摩擦型減隔震支座的基礎(chǔ)上，在支座上下板之間增設(shè)拉索，正常使用狀況下，拉索處于松弛狀態(tài)，支座上下板相對(duì)位移達(dá)到設(shè)計(jì)值(通常稱為自由程)時(shí)，拉索繃緊，限制支座相對(duì)位移的進(jìn)一步增大，拉索具體長(zhǎng)度由支座本身尺寸與自由程的幾何關(guān)系與計(jì)算得到[6].

朝陽(yáng)大橋使用的拉索支座是在普通球鋼支座頂板與底板間增加拉索改造而成，支座摩擦接觸面為四氟板與鏡面不銹鋼.在此實(shí)橋支座的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了20 t與10 t兩種噸位的試驗(yàn)用支座，在各個(gè)橋墩頂關(guān)于主梁中軸線對(duì)稱布置2座試驗(yàn)支座，邊墩支座噸位為10 t，主墩支座噸位為20 t，其中15#墩頂支座帶拉索裝置，支座自由程18 mm，其余支座不帶拉索，所有支座位移能力為55 mm(即支座相對(duì)位移超過55 mm時(shí)四氟板外側(cè)邊緣滑出鏡面不銹鋼外側(cè)邊緣).主墩安裝完成的試驗(yàn)用拉索支座如圖5所示.安裝完成后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6所示.

圖5　模型拉索支座Fig.5　Cable-sliding bearing for test model

2　試驗(yàn)工況

2.1試驗(yàn)體系

由于本試驗(yàn)的主要目的是觀察并研究橋梁在使用拉索支座與普通摩擦支座兩種不同支座的情況下，結(jié)構(gòu)整體在地震動(dòng)作用下各部分響應(yīng)的異同，故按是否采用拉索支座將結(jié)構(gòu)體系分為拉索支座體系與摩擦支座體系.

圖6　朝陽(yáng)大橋振動(dòng)臺(tái)模型Fig.6　Test model for Chaoyang Bridge

在試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)兩種體系間相互轉(zhuǎn)化的方法是：首先將拉索安裝在支座上，搭建拉索支座體系試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑼瓿捎?jì)劃中所有該體系下的工況；之后采用工具將拉索割斷，完成拉索支座體系到摩擦支座體系的轉(zhuǎn)化；最后完成摩擦支座體系下所有的工況.

2.2地震動(dòng)選取

本次試驗(yàn)臺(tái)面加載選取了一條人工地震波(南昌波)與一條實(shí)際地震記錄(El Centro波).

南昌波是南昌市朝陽(yáng)大橋工程地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告提供的對(duì)應(yīng)于該大橋E2設(shè)防水準(zhǔn)(50年超越概率2%)的人工地震波，地震動(dòng)PGA(peak ground acceleration,地震加速度峰值)為0.131g.El Centro地震波為1940年美國(guó)加州帝王谷地震中所測(cè)得的地震動(dòng)時(shí)程，地震動(dòng)PGA為0.313g.試驗(yàn)中按照模型相似比對(duì)地震波進(jìn)行處理，并根據(jù)工況設(shè)計(jì)對(duì)地震動(dòng)PGA進(jìn)行調(diào)整,處理并調(diào)整PGA至0.1g的兩條地震動(dòng)加速度時(shí)程與加速度反應(yīng)譜如圖7和圖8所示.由圖8可以看到，南昌波在長(zhǎng)周期部分加速度譜值明顯高于El Centro波.地震動(dòng)由左向右加載，即以14#墩指向17#墩的方向?yàn)檎较蚣虞d.

2.3工況設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷捏w系設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的地震動(dòng)選取設(shè)計(jì)，試驗(yàn)采用的工況如表3所示.其中白噪聲工況主要用以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)在各工況作用后結(jié)構(gòu)剛度變化，用以判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了損傷或者任何程度的剛度退化.各實(shí)際工況加載完畢后，結(jié)構(gòu)剛度沒有退化.在拉索支座體系下，加載各地震波由PGA 0.1g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0.8g.在摩擦支座體系下，由于El Centro波產(chǎn)生的墩梁相對(duì)位移較小，故可將其同樣加載到0.8g;

a El Centro地震波

b 南昌地震波圖7　地震波加速度時(shí)程Fig.7　Time-history of modified seismic waves

圖8　地震波加速度反應(yīng)譜

Fig.8Acceleration response spectra of modified seismic waves

表3　試驗(yàn)工況Tab.3　Test protocol

而南昌波則由于產(chǎn)生的墩梁相對(duì)位移較大，在PGA 0.4g時(shí)已經(jīng)接近支座的安全位移極限，出于試驗(yàn)安全考慮，停止南昌波工況序列PGA的進(jìn)一步增大.

3　地震響應(yīng)分析

3.1響應(yīng)峰值分析

圖9為試驗(yàn)中各個(gè)工況作用下橋墩與主梁實(shí)測(cè)相對(duì)位移峰值.圖中A代表拉索支座體系，B代表摩擦支座體系.在El Centro地震波各工況下，墩梁相對(duì)位移均非常小，大部分都維持在5 mm以下，且體系之間差距也非常小.在南昌波各工況下，特別是PGA較大的工況中，兩種體系間墩梁位移差距較大，拉索支座體系位移明顯小于摩擦支座體系.在0.4g工況時(shí)，摩擦支座體系支座位移已經(jīng)接近支座的安全位移極限，不能繼續(xù)增加PGA，而拉索支座體系則繼續(xù)加載至了0.8g的工況.

圖9　各工況墩梁相對(duì)位移峰值Fig.9　Peak response of girder-pier relative displacement

圖10為試驗(yàn)中各個(gè)工況作用下振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面與主梁實(shí)測(cè)加速度峰值.從圖中可以看到,各個(gè)工況下臺(tái)面實(shí)測(cè)加速度峰值均與控制PGA相差不大，說明本試驗(yàn)中臺(tái)面的輸入控制較為成功.在El Centro地震波各工況作用下，主梁的加速度峰值均處在0.05g上下，說明兩種體系隔震效率都非常高.摩擦支座上添加拉索之后，在該地震波作用下，支座的隔震效率并不會(huì)降低.在南昌地震波0.4g及以下各工況作用下，主梁加速度的響應(yīng)變化規(guī)律與El Centro地震波規(guī)律一致，在0.4g工況下拉索支座體系主梁加速度略大于摩擦支座體系；但在南昌波0.8g工況下，主梁加速度峰值響應(yīng)有了明顯的提高.結(jié)合南昌波各工況兩種體系之間出現(xiàn)的差別，下一節(jié)將從時(shí)程分析角度對(duì)此差別進(jìn)行分析，并分析拉索的限位原理.

3.2拉索限位原理分析

圖11為南昌波0.4g工況下兩種體系之間的時(shí)程對(duì)比圖.從圖11a中可以看到，在加載到4 s左右時(shí)，拉索支座體系中主梁加速度有一處較為明顯的增大；在圖11b中的同一時(shí)刻，墩梁位移受到了明顯的限制.而在其他時(shí)刻，兩種體系之間的加速度響應(yīng)與墩梁位移響應(yīng)幾乎沒有區(qū)別.說明墩梁位移的限制是由此刻拉索為主梁提供的瞬時(shí)加速度完成的.

圖12為拉索支座體系在不同PGA的南昌波作

a El Centro地震波

b 南昌地震波圖10　各工況加速度峰值Fig.10　Peak response of girder acceleration

a 主梁加速度

b 墩梁相對(duì)位移圖11　南昌波0.4g工況結(jié)果對(duì)比圖

Fig.11Outcome comparison under Nanchang 0.4gtest protocol

用下的時(shí)程對(duì)比圖.可以看到提高PGA后，主梁在3個(gè)時(shí)刻有了非常明顯的瞬時(shí)加速度峰值，而這正好對(duì)應(yīng)了墩梁位移較大的3個(gè)時(shí)刻，進(jìn)一步說明拉索是通過繃緊后為主梁提供瞬時(shí)加速度來控制墩梁間的位移增大.由此可以看出,拉索支座限制墩梁位移的本質(zhì)是在墩梁位移超過設(shè)計(jì)自由程后，通過拉索繃緊，為主梁提供瞬時(shí)的反向加速度.

a 主梁加速度

b 墩梁相對(duì)位移圖12　拉索支座體系結(jié)果對(duì)比

Fig.12Outcome comparison of cable-sliding isolation system

通過以上分析可以看出，在墩梁位移響應(yīng)較小時(shí)，拉索支座具備與普通摩擦支座相似的減震特性，而在墩梁位移響應(yīng)較大時(shí)，拉索支座可以有效地限制墩梁位移.

4　結(jié)論

本文介紹了半結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將模型按支座位置是否含有拉索分為了拉索支座體系與摩擦支座體系，并對(duì)兩種體系進(jìn)行了南昌地震波與El Centro地震波的加載，試驗(yàn)結(jié)果主要有：

(1) 在El Centro地震波各個(gè)工況作用下，兩種體系的隔震效率均非常高且保持在同一水平.主梁加速度響應(yīng)與墩梁位移響應(yīng)在兩種體系之間差別不大，拉索支座體系墩梁相對(duì)位移略小于摩擦支座體系.

(2) 在南昌地震波各個(gè)工況作用下，在較小PGA時(shí)，兩種體系的加速度響應(yīng)差別不大，拉索支座體系位移響應(yīng)略小于摩擦支座體系.在較大PGA時(shí)，拉索可以控制墩梁相對(duì)位移，使結(jié)構(gòu)不發(fā)生落

梁.拉索限制墩梁位移的原理是在墩梁位移過大時(shí)拉索為主梁提供瞬時(shí)加速度，限制主梁繼續(xù)移動(dòng).

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Shaking Table Test of a Bridgewith Cable-sliding Isolation Bearing

YANG Haolin, TIAN Shengze, PANG Yutao, YUAN Wancheng

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

A half-structure shaking table test based on Nanchang Chaoyang Bridge was designed and a detailed introduction of the designing process was performed. Two types of isolated system, i.e., cable-sliding bearing system and friction bearing system, were introduced and applied to the structure according to whether or not cable-sliding bearings were used. Two sets of seismic wave including the Nanchang artificial wave and El Centro seismic wave were induced as seismic loads during the test. The peak seismic responses of each key node of the structure were analyzed, so were the principle of how the cables could restrict the relative displacement between girder and piers. The results show that, under the seismic load, when the relative displacement response between girder and pier is small, cable-sliding bearings have similar isolation features with ordinary sliding bearings. When the relative displacement is large, the cables can provide a momentary acceleration to the girder which can help limit the relative displacement and restrict it from increasing.

bridge; seismic design; isolation design; shaking table test; cable-sliding isolation bearing

2015-03-16

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

楊浩林(1988—)，男，博士生，主要研究方向?yàn)闃蛄涸O(shè)計(jì)與橋梁抗震防災(zāi).E-mail：88haolinyang@#edu.cn

袁萬城(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)振動(dòng)與抗震.E-mail：yuan@#edu.cn

U448.27

A