國(guó)外橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)綜述

封益兵

(重慶市市政設(shè)計(jì)研究院)

1 引 言

人類歷史上，地震給人類造成了極大的災(zāi)難，為了減輕地震災(zāi)害，世界各國(guó)的地震工程工作者和結(jié)構(gòu)工程工作者致力于提高結(jié)構(gòu)抗震能力的研究。在上世紀(jì)初，結(jié)構(gòu)抗震理論開(kāi)始形成。隨著理論研究的深入和實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展，到目前結(jié)構(gòu)抗震理論已經(jīng)形成了一個(gè)內(nèi)容豐富的科學(xué)領(lǐng)域，而結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)研究作為結(jié)構(gòu)抗震理論的重要組成部分，是與結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展密切相關(guān)的。結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法總體可以分為四類:擬靜力試驗(yàn)方法、地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法、擬動(dòng)力試驗(yàn)方法和原型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力測(cè)試。其中地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法開(kāi)辟了一片新抗震研究的自由空地，在結(jié)構(gòu)抗震發(fā)展史上是具有里程碑意義的研究方法。有關(guān)橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究就在這樣的大背景下應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)際地震對(duì)實(shí)橋作用的模擬難以實(shí)現(xiàn)，而振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變橋梁動(dòng)力參數(shù)及地震輸入掌握橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的變化，對(duì)研究減震機(jī)理是非常必要的。利用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行抗震試驗(yàn)，具有其他動(dòng)力和靜力試驗(yàn)無(wú)法比擬的特點(diǎn):

(1)振動(dòng)臺(tái)可以模擬若干次地震現(xiàn)象;

(2)可以了解試驗(yàn)結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的力學(xué)向能和地震造成的破壞現(xiàn)象;

(3)通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，可以檢驗(yàn)計(jì)算理論的正確性，且有助于解決結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中的一些問(wèn)題;

(4)在災(zāi)區(qū)只能看到震后的現(xiàn)象，而通過(guò)模型試驗(yàn)，可以了解結(jié)構(gòu)破壞的全過(guò)程。

橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的過(guò)程一般可分為四步:

(1)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)制作。在此要考慮到遵守模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)之間的相似理論，包括幾何尺寸、材料、荷載和邊界條件的相似;

(2)模型制作與安裝。此步要考慮到模型剛度、模型測(cè)點(diǎn)布置以及試驗(yàn)時(shí)的安全保護(hù)措施;

(3)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。此步主要考慮地震波的選擇和地震波的輸入;

(4)收集整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 國(guó)外橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究現(xiàn)狀

自從1970 年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校建成世界上第一座地震模擬振動(dòng)臺(tái)以來(lái)，結(jié)構(gòu)抗震研究從此掀開(kāi)了新的一頁(yè)。迄今為止，外國(guó)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了為數(shù)眾多的橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。

Meng－Hao Tsai 等為了研究滾軸支座的隔震效果，曾對(duì)一個(gè)比例模型橋進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。考慮到振動(dòng)臺(tái)的能力，橋梁模型的尺寸比例定在1/7.5。為了與振動(dòng)臺(tái)上的定位錨固洞相適應(yīng)模型橋跨中到中的尺寸由400 cm 改到450 cm。在水平激勵(lì)作用下橋梁板被當(dāng)作剛性體，質(zhì)量相似主要考慮板模型。板的長(zhǎng)為500 cm，寬為175 cm。型梁連同其上的鉛塊共重193.3 kN 作為橋板模型。為了排除由于混凝土開(kāi)裂而引起的剛度退化，按照剛度相似理論設(shè)計(jì)了鋼管混凝土橋墩。鋼管的厚度是8 mm，直徑是21.6 cm，厚度與直徑沿橋墩高度沒(méi)有變化。同樣，混凝土蓋梁外部覆蓋鋼板以防止混凝土開(kāi)裂。橋梁模型的混凝土抗壓強(qiáng)度是20 600。每個(gè)橋墩包含一個(gè)1.23 m 高的鋼管混凝土柱和一個(gè)1.13 m的蓋梁。

通過(guò)橋梁模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證了滾軸支座可以作為一個(gè)隔震裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)結(jié)構(gòu)完全處于傾斜振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由滾軸支座傳入的地震力與地震強(qiáng)度是無(wú)關(guān)的。通過(guò)對(duì)模型橋梁進(jìn)行的有粘滯阻尼器和無(wú)粘滯阻尼器的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)比，分析了在白噪聲激勵(lì)下滾動(dòng)軸承的非線性動(dòng)力特性。用四組不同加速度的峰值的激勵(lì)分析了模型橋梁的地震反應(yīng)，由于滾軸支座的阻尼比較小，會(huì)使位移增大，上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)加劇。可以把滾軸支座和粘滯阻尼器一起使用，雖然會(huì)導(dǎo)致加速度反應(yīng)稍微的增加，但是阻尼器的存在可以減少大震下的橋梁上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和較大的位移。比較有阻尼器和無(wú)阻尼器是的隔震效果，滾軸支座在無(wú)論何種峰值地面加速度下，阻尼器都可以加大的減輕其地震反應(yīng)。

P.Tsopelas 等為了研究滑移隔震系統(tǒng)隔震效果，對(duì)模型橋梁進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。橋梁模型包括了柔性橋墩和剛性橋墩，模型的跨度為4.8 m，高度為2.53 m，模型總重量為157.8 kN。橋梁的上部結(jié)構(gòu)是兩根中間用橫桿連接的工字型鋼。

上部結(jié)構(gòu)與外加質(zhì)量共重143 kN。橋墩在自由狀態(tài)完全加載是的周期是0.1 s。由于模型的設(shè)計(jì)中含有柔性橋墩，所以在沒(méi)有隔震的情況下模型縱橋向的基本周期是0.25 s。所有隔震系統(tǒng)由滑移軸承和橡膠恢復(fù)力裝置構(gòu)成。

試驗(yàn)對(duì)隔震橋梁和非隔震橋梁進(jìn)行了對(duì)比，研究了在某些情況下不同隔震體系在兩種墩上的特性。試驗(yàn)對(duì)中震、強(qiáng)震和各種場(chǎng)地條件下的情況都做了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)傳給結(jié)構(gòu)的作用不超過(guò)上部結(jié)構(gòu)重量的1/3 時(shí)，并且支座位移小于在原型尺寸中的200 mm 時(shí)，可以用在系統(tǒng)中加入液體粘滯阻尼器的方法來(lái)抵抗日本規(guī)范中第二水平強(qiáng)烈的長(zhǎng)周期地震作用。試驗(yàn)還證實(shí)了對(duì)比于非隔震橋梁，隔震橋梁的地震反應(yīng)有質(zhì)的減小。試驗(yàn)表明豎向地面激勵(lì)對(duì)隔震橋梁的作用最小。試驗(yàn)還得出滑移支座和液體粘滯阻尼器的組合不僅對(duì)抵抗強(qiáng)震有作用，對(duì)抵抗小震同樣有效。

內(nèi)華達(dá)大學(xué)的M.Saiid Saiidi 等人為了研究橋梁在線性和非線性地震動(dòng)下的橋梁橫橋向的反應(yīng)。模擬實(shí)際橋梁從彈性、延性到毀壞階段進(jìn)而為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。做了一個(gè)1/4的模型。本試驗(yàn)是一個(gè)大型試驗(yàn)，模型長(zhǎng)20.5 m，高3.28 m，單跨跨度為9.14 m，模型采用了預(yù)應(yīng)力加固，橋的兩跨支撐在三個(gè)墩上，墩采用了雙柱型結(jié)構(gòu)。

通過(guò)測(cè)試橋墩的屈服程度來(lái)判斷橋梁反應(yīng)情況。地震動(dòng)輸入是75 年超越概率為50%和3%的地震波。試驗(yàn)結(jié)果在常遇的地震下完全符合NCHRP(國(guó)際高速公路合作研究計(jì)劃)標(biāo)準(zhǔn)，模擬的地震作用對(duì)模型損傷很小，最大的裂縫寬度最大僅有0.08 mm，沒(méi)有一個(gè)墩到達(dá)屈服點(diǎn)，最大只到達(dá)位移彈性能力95%，結(jié)果在罕遇的地震作用下同樣符合NCHRP 標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)能基本保持完好，能夠保證行人的安全，結(jié)構(gòu)的破壞大多限于混凝土保護(hù)層的破壞，有兩個(gè)墩出現(xiàn)混凝土剝落，但其中只有一個(gè)墩螺旋箍筋裸露。滿足設(shè)計(jì)的最低標(biāo)準(zhǔn)。

賴斯大學(xué)的Satish Nagarajaiah 等人為了研究滑移隔震橋梁在近地震源的地震反應(yīng)，按照1:20 的比例做了一個(gè)單跨模型，模型的梁重只有12.36 kg，跨徑1.83 m，梁高0.23 m，模型總高度0.957 m，使用四個(gè)滑移支座，一個(gè)磁流變阻尼器，兩個(gè)剛度為1 632 N/cm 復(fù)位彈簧。模型所使用滑移支座是表面經(jīng)過(guò)聚四氟乙烯處理的不銹鋼鋼板，支座的摩擦系數(shù)是隨上下相對(duì)速度改變而改變。模型縱向設(shè)計(jì)周期在有隔震情況下是0.55 s，無(wú)隔震情況下是0.1 s，通過(guò)鎖定和釋放滑移支座來(lái)實(shí)現(xiàn)。在試驗(yàn)中使用的地震波是在諾森伯蘭郡地震中記錄下來(lái)的幾條地震波。對(duì)磁流變阻尼器的電壓輸入是通過(guò)滑動(dòng)控制器來(lái)完成的。

試驗(yàn)結(jié)果顯示半主動(dòng)和主動(dòng)控制阻尼器能使結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力都大大減小。結(jié)果顯示磁流變阻尼能減少墩的地震反應(yīng)明顯好于被動(dòng)阻尼，而這種效果過(guò)去只能通過(guò)增加被動(dòng)阻尼器，而且是在更大的地震作用下才能得到的效果。

3 橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究發(fā)展的趨勢(shì)

近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)也有了較好的發(fā)展。主要有范立礎(chǔ)等為了驗(yàn)證橋梁板式橡膠支座、聚四氟乙稀滑板橡膠支座的動(dòng)力剪切性能以及弧形鋼板條的滯回性能的力學(xué)分析模式的可靠性，進(jìn)行了簡(jiǎn)支梁橋模型的地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。張俊平等為了驗(yàn)證利用鉛芯橡膠支座鉛芯屈服前剛度合理調(diào)節(jié)列車制動(dòng)力、利用鉛芯屈服后剛度進(jìn)行隔震的思路的可行性，曾對(duì)模型橋梁進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，他們還運(yùn)用同一試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治隽烁粽饦?gòu)造、橡膠支座水平剛度、地震輸入頻譜特性、地震烈度、輸入方向、橋墩高度、橋墩嵌固程度等因素對(duì)隔震效果的影響，揭示了隔震體系耗散地震能量輸入的機(jī)理。陳海權(quán)等為了驗(yàn)證SMA 阻尼器卓越的阻尼性能以及對(duì)大跨斜拉橋地震反應(yīng)的控制效果，曾對(duì)大跨斜拉橋模型進(jìn)行了地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。周敉等為了驗(yàn)證其建立的獵德大橋精細(xì)化有限元模型仿真計(jì)算結(jié)構(gòu)的正確性，進(jìn)行了縮尺比為1∶60 的全橋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。

橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)發(fā)展的趨勢(shì)可以從兩個(gè)方面來(lái)考慮，一是試驗(yàn)所需配套設(shè)備的發(fā)展;二是試驗(yàn)方法和研究?jī)?nèi)容的推陳出新。這二者是緊密聯(lián)系的，有是相互影響的。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的最終目標(biāo)是再現(xiàn)地震時(shí)結(jié)構(gòu)的真實(shí)反應(yīng)。但是由于考慮到結(jié)構(gòu)尺寸、場(chǎng)地等各方面因素的制約，很難得到真實(shí)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，這就需要試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)手段的不斷發(fā)展。如為了消除相似比的影響，直接用原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn);為了解決大跨橋梁結(jié)構(gòu)各部位受地震力有所區(qū)別，需要多點(diǎn)輸入地震波的問(wèn)題，地震模擬振動(dòng)臺(tái)陣系統(tǒng)模型試驗(yàn)方法應(yīng)運(yùn)而生。

在試驗(yàn)方法和研究?jī)?nèi)容方面，試驗(yàn)和研究分析的有機(jī)結(jié)合在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將是橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)一個(gè)重要的準(zhǔn)則。基于性能的抗震設(shè)計(jì)研究要求振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)依ńY(jié)構(gòu)的整個(gè)應(yīng)變過(guò)程，包括從彈性小應(yīng)變到大應(yīng)變直至結(jié)構(gòu)倒塌的全過(guò)程跟蹤研究，還包括對(duì)結(jié)構(gòu)失效機(jī)理、屈服區(qū)裂縫發(fā)展規(guī)律、結(jié)構(gòu)的變形耗能、裂縫耗能等的研究，同時(shí)對(duì)大震下橋梁結(jié)構(gòu)中的防護(hù)措施進(jìn)行深入細(xì)致的研究，包括橋梁中的擋塊、拉桿、錨栓的受力、變形以及耗能情況進(jìn)行研究。在考慮橋梁防護(hù)措施作用的基礎(chǔ)上研究橋梁在大震下的極限承載能力和極限位移。同時(shí)可以考慮從能量消耗的角度進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，建立一套系統(tǒng)的方法。

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［3］ S. Okamoto，S. Fujii ，D. Ozaki ，Experimental study of bridge seismic sliding isolation systems［J］. Engineering Structures，1996，18，(4)，301－310.

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