兩跨連續(xù)斜交梁橋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

許永吉， 卓衛(wèi)東, 孫　穎(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福州　350108)

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兩跨連續(xù)斜交梁橋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

許永吉， 卓衛(wèi)東, 孫穎(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福州350108)

摘要：選取了斜交角、配箍率和軸壓比等設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)兩跨連續(xù)斜交梁橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析和單向地震動(dòng)輸入下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析。以福建省高速公路某座斜交梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，設(shè)計(jì)制作了一座1/5縮尺兩跨連續(xù)混凝土斜交梁橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)合振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，研究斜交梁橋地震響應(yīng)及震害特點(diǎn)。振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)結(jié)果表明：不同場(chǎng)地類別的地震動(dòng)及同一場(chǎng)地類別但不同的地震動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)差別較大；在相同斜交角時(shí)，軸壓比越小，加速度和位移響應(yīng)越大；當(dāng)軸壓比相同時(shí)，斜交角越小，加速度和位移響應(yīng)越大。從試驗(yàn)可知，在斜交橋設(shè)計(jì)中，合理選擇斜交角對(duì)橋梁動(dòng)力性能有很大的影響。

關(guān)鍵詞：兩跨斜交梁橋；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；地震響應(yīng)分析；參數(shù)分析

斜交梁橋由于能較好地滿足路線設(shè)計(jì)的線形要求、縮短線路從而達(dá)到節(jié)省投資、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)，因此，近年來(lái)斜交梁橋在國(guó)內(nèi)外高等級(jí)公路、擁擠的城市區(qū)域和立交結(jié)構(gòu)中得到較多應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在國(guó)內(nèi)高速公路上斜交梁橋的數(shù)量有時(shí)可以達(dá)到整條線路橋梁總數(shù)的40%～50%[1-2]。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外研究者已對(duì)斜交梁橋的震害現(xiàn)象開(kāi)展了一系列的研究工作，Wakefield等[3-5]主要從震害機(jī)理方面進(jìn)行闡述，Meng等[6]利用數(shù)值分析方法進(jìn)行研究，并試圖對(duì)震害機(jī)理給出一個(gè)合理的解釋。Maleki等[7-10]則從斜交梁橋抗震性能進(jìn)行參數(shù)分析，試圖了解主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)斜交梁橋地震響應(yīng)的影響，并認(rèn)為斜交角的存在放大了斜交梁橋的地震反應(yīng)，使斜交梁橋在地震動(dòng)作用下產(chǎn)生彎扭耦合效應(yīng)。Meng等[11]采用試驗(yàn)方法，結(jié)合有限元模擬分析，指出試驗(yàn)在斜交梁橋震害研究中的重要作用。由此可知，斜交梁橋的研究先后經(jīng)歷了震害機(jī)理、數(shù)值分析方法及參數(shù)分析等角度的研究，對(duì)斜交梁橋的震害機(jī)理、抗震性能進(jìn)行不同程度的討論，指出斜交因素放大了斜交梁橋的地震反應(yīng)，使斜交橋的地震反應(yīng)分析比正交橋更為復(fù)雜。盡管研究者對(duì)斜交梁橋震害研究較早，然而迄今為止仍可以發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)震作用下斜交梁橋出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象，如我國(guó)2008年的汶川地震中發(fā)現(xiàn)多座斜交梁橋出現(xiàn)落梁、碰撞、垮塌等嚴(yán)重的震害現(xiàn)象。由此可知，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)斜交梁橋的震害機(jī)理大都停留在數(shù)值分析方法上，且不同的數(shù)值模型在模擬原橋結(jié)構(gòu)時(shí)又會(huì)產(chǎn)生較大的分歧，增加了斜交梁橋研究的復(fù)雜性和不確定性；而且國(guó)際上對(duì)斜交梁橋的研究理論：彈性梁理論[13]和剛性梁理論[3,12-15]在解釋震害機(jī)理方面存在較大的分歧，甚至?xí)霈F(xiàn)相互矛盾現(xiàn)象，如文獻(xiàn)[16]認(rèn)為斜交梁橋上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過(guò)大偏位現(xiàn)象是由于碰撞引起的，而文獻(xiàn)[3]則認(rèn)為是由于橋面板的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)引起的；斜交角是否是影響斜交梁橋震害唯一主要的元素也存在較大的爭(zhēng)論[17]。

綜上分析可知，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)斜交梁橋的震害機(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠充分，分歧較大且缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，對(duì)斜交梁橋開(kāi)展振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究具有必要性；本文通過(guò)系統(tǒng)的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究，明確斜交梁橋的震害機(jī)理和地震反應(yīng)規(guī)律，為今后地震反應(yīng)分析方法的選取、抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)及規(guī)范編制提供參考。

1地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

本次斜交梁橋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)采用了福州大學(xué)海峽兩岸土木工程防震減災(zāi)工程研究中心地震模擬振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)三臺(tái)獨(dú)立模式、異步模式、以及三臺(tái)關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)的臺(tái)陣工作模式。該振動(dòng)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)為：中間大臺(tái)為4 m×4 m，兩邊分別為兩個(gè)相同的小臺(tái)，臺(tái)面尺寸為2.5 m×2.5 m，振動(dòng)方向均為X,Y兩向，臺(tái)面最大位移均為25 cm，臺(tái)面滿載最大加速度中間大臺(tái)X向1.5 g、Y向1.5 g，兩側(cè)小臺(tái)X向1.5 g、Y向1.2 g工作頻率范圍為0.1～50 Hz。

1.1模型相似比設(shè)計(jì)

本文采用量綱分析法來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨票仍O(shè)計(jì)。進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能保證結(jié)構(gòu)模型材料的相似性，即保證模型材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、破壞強(qiáng)度與彈性模型應(yīng)與原型結(jié)構(gòu)相似。鑒于實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面尺寸、承重能力及臺(tái)面距離等條件，本文采用縮尺比例為1/5的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。根?jù)相似理論和本文試驗(yàn)?zāi)康?，采用原型材料制作模型，加速度相似比取?∶1；在重力失真方面，則通過(guò)增加配重方式給予消除。具體的相似常數(shù)如表1所示。

1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)以公路典型兩跨連續(xù)斜交梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象。斜交角分別取15°、30°，根據(jù)試驗(yàn)相似系數(shù)，確定模型橋總長(zhǎng)為10.4 m，兩跨等跨連續(xù)布置，橋?qū)?.1 m，板厚0.25 m；中間設(shè)置鋼筋混凝土雙柱式圓形橋墩，兩邊為橋臺(tái)，模型橋總體布置如圖1所示。

表1　模型相似常數(shù)

圖1　模型橋梁總體布置圖Fig.1 The Layout of the model bridge

試驗(yàn)采用原型材料制作模型。在歷次破壞性地震調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，斜交梁橋上部結(jié)構(gòu)及橋臺(tái)破壞微小，破壞主要集中在橋墩、蓋梁及支座等構(gòu)件，因此，橋面系和橋臺(tái)在試驗(yàn)過(guò)程中可以視為剛體。本文試驗(yàn)對(duì)橋面系和橋臺(tái)均采用保守設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)材料采用C30商品混凝土，主筋采用直徑14 mm的HRB335鋼筋，箍筋采用直徑10 mm的HPB235鋼筋。橋墩截面為圓形，直徑為25cm，墩高50cm，采用C25混凝土，主筋采用8Φ10的HRB335鋼筋，沿截面對(duì)稱配筋，箍筋采用Φ6 mm的HPB235鋼筋。橋臺(tái)采用鋼格構(gòu)柱-混凝土板組合橋臺(tái)。蓋梁采用C25級(jí)混凝土，主筋采用直徑16 mm的HRB335鋼筋，箍筋采用直徑10 mm的HPB235鋼筋。支座采用GJY200×35型圓板式橡膠支座。

1.3試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)已有的研究成果，本文選取斜交角、墩柱軸壓比、配箍率等3個(gè)因素作為主要影響因素，根據(jù)所選取的影響因素及水平，利用正交性，確定了各試件的設(shè)計(jì)參數(shù)，具體如表2所列。

表2　斜交梁橋試驗(yàn)因素水平表

1.4試驗(yàn)?zāi)Ｐ团渲卦O(shè)計(jì)

根據(jù)幾何相似條件定出的模型結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用與原型相同的材料時(shí)，上部結(jié)構(gòu)重量明顯不足，處于失真狀態(tài)，需要通過(guò)增加配重方式給予消除。模型配重布置見(jiàn)圖2所示。

圖2　模型配重布置圖Fig.2 The Counterweight layout model

本文試驗(yàn)主要是根據(jù)橋墩的設(shè)計(jì)軸壓比來(lái)反算上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的配重。配重塊與橋面板梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接，同時(shí)輔助鋼絲繩，使配重塊與橋面板梁能較好地形成一體，對(duì)于不夠的小額配重用鉛塊補(bǔ)上，以保證設(shè)計(jì)軸壓比要求。

1.5試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為了量測(cè)斜交橋在各種地震波激勵(lì)下的地震響應(yīng)，在模型各關(guān)鍵部位分別布置了傳感器，測(cè)點(diǎn)布置及說(shuō)明見(jiàn)圖3所示。在橋面板一側(cè)的銳角處和鈍角處各設(shè)二個(gè)位移傳感器，分別測(cè)量縱橋向和橫橋向的橋面板梁的位移，中間振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面和中間橋墩的頂部各布置二個(gè)位移傳感器，用以測(cè)量中間墩的位移。在中墩支座上布置了4個(gè)力傳感器。在墩頂墩底的縱筋上均預(yù)埋了應(yīng)變片，用以測(cè)量鋼筋的縱向應(yīng)變。

a.橋面板加速度傳感器　b.蓋梁加速度傳感器c.墩加速度傳感器　d.臺(tái)陣表面加速度傳感器e.力傳感器　f.墩頂位移傳感器圖3　模型測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Model of measuring point arrangement

2試驗(yàn)工況分析

試驗(yàn)合計(jì)選擇能代表4類場(chǎng)地的20種地震波，每種地震波考慮單向地震輸入(X向)，地震波選擇如表3所示：所有輸入的地震動(dòng)工況，均根據(jù)相似關(guān)系進(jìn)行時(shí)間壓縮，彈性階段加速度峰值均為0.05g。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1模型動(dòng)力特性分析

在每次輸入地震動(dòng)之前均有對(duì)全橋模型進(jìn)行白噪聲掃略，觀察白噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)白噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響很小，也通過(guò)白噪聲掃略明確結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，利用振動(dòng)臺(tái)自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲得各加速度測(cè)點(diǎn)的時(shí)程數(shù)據(jù)，最后利用頻域傳遞函數(shù)求得模型體系的自振頻率，模型體系的自振頻率如表4所示。輸入的白噪聲加速度時(shí)程如圖4所示，輸入的功率譜曲線見(jiàn)圖5所示，從圖中不難發(fā)現(xiàn)功率譜覆蓋范圍較廣，可以很好的激發(fā)出全橋的各個(gè)模態(tài)。利用OpenSEES程序建立的試驗(yàn)?zāi)Ｐ退糜?jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算相差1.5%，說(shuō)明試驗(yàn)與數(shù)值模擬吻合良好。

表3　試驗(yàn)各工況地震波表

圖4　白噪聲加速度時(shí)程曲線Fig.4 White noise acceleration time history curve

圖5　白噪聲頻譜圖Fig.5White noise spectrum

模態(tài)階數(shù)模型計(jì)算值/Hz試驗(yàn)實(shí)測(cè)值/Hz相對(duì)差%工況14.584.5121.5白噪聲

3.2加速度響應(yīng)分析

從四類場(chǎng)地20種地震波工況分析可以看出，Ⅰ類場(chǎng)地的Chi-Chi波響應(yīng)較大，圖6列出該波沿縱橋向輸入時(shí)，橋面板左端加速度響應(yīng)和墩頂縱橋向加速度響應(yīng)實(shí)測(cè)記錄曲線：

圖6　結(jié)構(gòu)在chi-chi波輸入下加速度響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.6 Acceleration time history response curve in the Chi-Chi wave

為了進(jìn)行各影響因素響應(yīng)分析，對(duì)橋面板板端及中部、墩頂進(jìn)行加速度峰值響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，從圖中分析可知：

(1) 不同場(chǎng)地類別波作用下橋面板左端、跨中及墩頂?shù)募铀俣确磻?yīng)區(qū)別較大，在同一類場(chǎng)地中不同波作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)也有所區(qū)別；對(duì)于Ⅰ類場(chǎng)地，Chi-chi波作用下橋面板左端的縱橋向加速度最大反應(yīng)值為0.146 g，而甘肅地震動(dòng)作用下最大反應(yīng)值為0.023 g，差值達(dá)6倍；

(2) 跨中加速度峰值總體均比板端來(lái)的小，斜交角30°時(shí)越發(fā)顯著，除個(gè)別波差別較大外其余差值均在10%以內(nèi)；墩頂縱橋向加速度峰值隨波變也比較大，對(duì)于Ⅰ類場(chǎng)地的Loma Prieta波其值為0.057 g，與輸入峰值0.05 g差別不大，但對(duì)于Ⅰ類場(chǎng)地甘肅地震動(dòng)其峰值為0.389 g是輸入峰值的近8倍。

(3) 從圖7可以看出，15°斜交角時(shí)，橋面板左端、中部、右端三個(gè)位置的加速度響應(yīng)在軸壓比變化時(shí)，響應(yīng)基本一致，30°斜交角時(shí)，除個(gè)別工況外，軸壓比0.07時(shí)的加速度響應(yīng)基本都比軸壓比0.125時(shí)大。

(4) 從圖8可以看出，三個(gè)不同位置的橋面板在相同軸壓比下，15°斜交角時(shí)，X向響應(yīng)最大，而且相比Y向響應(yīng)差別較大，30°斜交角時(shí)X向響應(yīng)也比Y向響應(yīng)大，但是差別不是很大，可見(jiàn)斜交角越大，在單向地震波輸入時(shí)，橋面板X向和Y向響應(yīng)差別越小。

圖7　相同斜交角，不同軸壓比加速度響應(yīng)分析Fig.7 Acceleration response analysis in the same skew angle and different axial compression ratio

(5) 從圖9可知，在加速度峰值為0.05 g的單向地震輸入下，橋面板處的加速度峰值大多比墩頂來(lái)得小，說(shuō)明板式橡膠支座的隔震較顯著，其在減小橋面板地震響應(yīng)中起到較為積極的作用。

3.3位移響應(yīng)分析

對(duì)不同場(chǎng)地類別地震動(dòng)作用下模型結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)進(jìn)行分析，考察不同場(chǎng)地條件及不同波對(duì)模型結(jié)構(gòu)地震位移反應(yīng)的影響。Chi-Chi波0.05 g加速度峰值波作用下墩頂?shù)母鞴r最大位移響應(yīng)為2.3 mm，而此種情況下噪聲激勵(lì)產(chǎn)生的響應(yīng)為0.06 mm，產(chǎn)生的響應(yīng)約占地震波產(chǎn)生響應(yīng)的2.6%，說(shuō)明白噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響很小，分析過(guò)程忽略噪聲激勵(lì)的影響。本文主要提取墩頂縱橋向位移、橋面板銳角處橫橋向位移，分析結(jié)果見(jiàn)圖10所示。

(1) 從曲線圖可以看出，在0.05 g峰值加速度輸入下，不同場(chǎng)地類別、不同波對(duì)墩頂縱橋向位移反應(yīng)及橋面板銳角處橫橋向位移反應(yīng)變化很大，從Ⅰ類場(chǎng)地到Ⅳ類場(chǎng)地橋面板橫橋向位移呈逐漸減小趨勢(shì)，墩頂位移均值呈先減小后增大趨勢(shì)；橋面橫橋向位移與墩頂位移并未呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律。

圖8　相同軸壓比，不同斜交角加速度響應(yīng)分析Fig.8 Acceleration response analysis in the same axial compression ratio and different skew angle

圖9　橋面板與橋墩加速度響應(yīng)分析Fig.9 Acceleration response of panel and bridge pier

圖10　橋面板及墩頂位移均值與場(chǎng)地類別關(guān)系曲線Fig.10 The Relationship between the displacementmean and site category of panel and pier

(2) 從圖10(b)可以看出，斜交角15°，軸壓比0.07時(shí)墩頂位移均值最大，軸壓比0.125時(shí)墩頂位移均值最小，可見(jiàn)軸壓比對(duì)墩頂位移有很大的影響，軸壓比越小，位移越大。

(3) 從圖10(a)可以看出，在斜交角相同的情況下，軸壓比越小，位移均值響應(yīng)越大；軸壓相同的情況下，斜交角越小，位移均值響應(yīng)越大。橋面板位移均值響應(yīng)整體沒(méi)有很明顯的規(guī)律性，原因可能是由于三臺(tái)振的地震激勵(lì)沒(méi)有完全的一致性，造成橋面板發(fā)生一定的扭轉(zhuǎn)，而且橡膠支座的存在也對(duì)橋面板的位移響應(yīng)造成一定的影響。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)160座在役高速公路斜交梁橋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，合理的設(shè)計(jì)了兩跨斜交橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在福州大學(xué)三臺(tái)陣振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)上開(kāi)展了兩跨連續(xù)斜交梁橋的一致激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

(1) 通過(guò)對(duì)兩跨連續(xù)斜交梁橋進(jìn)行一致激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加速度峰值均為0.05 g時(shí)，不同場(chǎng)地類別的地震動(dòng)及同一場(chǎng)地類別但不同的地震動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)差別較大；20條地震動(dòng)中，Chi-chi波輸入下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)最為強(qiáng)烈，甘肅地震動(dòng)最小；在各條地震動(dòng)輸入下，結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)任何裂縫及支座滑動(dòng)、變形情況，結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段。

(2) 針對(duì)斜交角和軸壓比的參數(shù)分析試驗(yàn)表明，在相同斜交角時(shí)，軸壓比越小，加速度和位移響應(yīng)越大；當(dāng)軸壓比相同時(shí)，斜交角越小，加速度和位移響應(yīng)越大。依此可以說(shuō)明，在斜交橋設(shè)計(jì)中，合理選擇斜交角對(duì)橋梁動(dòng)力性能有很大的影響。

(3) 在單向地震輸入下，橋面板處的加速度峰值大多比墩頂來(lái)得小，說(shuō)明板式橡膠支座的隔震效果較顯著。

(4)當(dāng)斜交角不斷增大時(shí)，斜交梁橋在縱橋向輸入地震波時(shí)因其本身的耦合性使橫橋向也有較大的相應(yīng)地震響應(yīng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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Shaking table tests for a two-span continuous skew girder bridge

XUYong-ji,ZHUOWei-dong,SUNYing(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Abstract:The dynamic characteristics and three-dimensional seismic response of a two-span continuous skew girder bridge were analyzed, using parameters, such as, skew angle, shear span ratio, reinforcement ratio and axial compression ratio and so on. Taking a skewed girder bridge of Fujian as an engineering example, a 1∶5 scale two-span continuous skewed girder bridge model was designed for shaking table tests. Adopting shaking table tests and FE numerical analysis, the seismic responses and damage characteristics of the skewed girder bridge were studied. Results of shaking table tests showed that the structure’s acceleration response and displacement response are guite different under different types of ground motion and at the same site or different types of ground motion and at different sites; under the same skew angle. the smaller the axial compression ratio, the larger the acceleration and displacement responses; when the axial compression ratio is the same, the smaller the skew angle, the larger the acceleration and displacement responses; a reasonable choice of skew angle has a great influence on the dynamic performance of skew bridges in the design of skew bridges.

Key words:two-span skew bridge; shaking table test; seismic response analysis; parametric analysis

中圖分類號(hào):U448.21+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.037

收稿日期：2014-10-23修改稿收到日期：2015-01-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家青年基金(51208112)

第一作者 許永吉 男，博士生，高級(jí)工程師，1980年6月生