新型鋼阻尼滑板支座梁橋振動臺模型試驗研究

孔令俊，張銀喜，夏樟華，曹志峰

(1．株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007;2．福州大學土木工程學院，福建福州350108)

新型鋼阻尼滑板支座梁橋振動臺模型試驗研究

孔令俊1，張銀喜1，夏樟華2，曹志峰1

(1．株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007;2．福州大學土木工程學院，福建福州350108)

為了探究新型鋼阻尼滑板支座的減隔震效果，以一2跨橋面連續(xù)簡支梁橋為工程背景，設計了振動臺試驗模型并開展三臺陣振動臺試驗，比較研究了普通板式橡膠支座、高阻尼橡膠支座、鋼阻尼滑板支座3種支座的減隔震效果。結果表明:地震動峰值較小時(E1地震作用)，鋼阻尼滑板支座和高阻尼橡膠支座的減隔震效果接近，且均優(yōu)于板式橡膠支座;地震動峰值越大(E2地震作用)，鋼阻尼滑板支座的減隔震優(yōu)勢越突出，其減隔震效果優(yōu)于高阻尼橡膠支座，且兩者均優(yōu)于板式橡膠支座。試驗驗證了鋼阻尼滑板支座在橋面連續(xù)簡支梁橋中減隔震性能的可行性。

鋼阻尼滑板支座;振動臺;試驗研究;減隔震效果

板式橡膠支座具有結構簡單、成本低廉、置換方便等優(yōu)點，曾在公路中小跨徑橋梁中普遍采用，但是根據(jù)支座病害調(diào)查結果，板式橡膠支座在使用過程中容易出現(xiàn)局部脫空、剪切變形超限等問題［1-3］。嗣后改進的四氟滑板橡膠支座是在普通橡膠支座表面附一層2～3 mm厚的聚四氟乙烯板［4］，聚四氟乙烯滑板橡膠支座有效地解決了梁體的位移問題，但這種支座不易控制梁體與支座間的相對位移。借鑒鋼阻尼器的優(yōu)點，文獻［5］提出一種四氟乙烯滑板橡膠支座與鋼阻尼器相結合的體系，即鋼阻尼滑板支座，如圖1所示。該支座結構簡單、安裝和更換方便、經(jīng)濟性好。為更好地驗證鋼阻尼滑板支座的減隔震性能，本文利用福州大學工程結構實驗室的地震模擬振動臺三臺陣系統(tǒng)，完成了一2跨橋面連續(xù)簡支梁橋振動臺試驗。試驗比較研究了普通板式橡膠支座、高阻尼橡膠支座、鋼阻尼滑板支座3種支座的減隔震效果，驗證了鋼阻尼滑板支座在橋面連續(xù)簡支梁橋中減隔震性能的可行性。

1　振動臺試驗模型

1.1工程背景

擬建的書圖大橋位于廣東省潮安縣鳳塘鎮(zhèn)，橋位屬于沖積平原，地形平坦，地面標高約1.9～14.5 m。大橋上部結構為跨度25 m橋面連續(xù)簡支梁橋，橋墩采用柱式墩，橋臺采用座板臺，聯(lián)間采用D80伸縮縫。橋梁全長1 248.3 m。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)及《廣東省潮州至惠州高速公路工程場地地震安全性評價報告》，橋址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.15g，橋址區(qū)抗震設防類別為B類，抗震設防烈度按8度進行設防。試驗采用跨度為25 m的橋面連續(xù)簡支梁橋進行縮比振動臺試驗，試驗橋跨為2跨。

圖1　鋼阻尼滑板支座體系結構

1.2模型設計

為了準確模擬原型結構的動力特性和動力反應，模型盡可能地采用與原型性能相近或相同的材料。橋面板采用C40混凝土制作，其尺寸長度按照1∶5的相似比進行縮尺設計，混凝土強度與實橋基本相同，配筋參照書圖大橋橋面板的配筋情況。模型橋面板總長為5.1 m，寬為2.7 m，橋墩墩柱凈高1.32 m，直徑為0.27 m。為了將橋墩模型與振動臺臺面固定，在墩柱底端設置混凝土底座，其長寬高為2.4 m×0.72 m× 0.36 m，混凝土底座預留孔洞，孔位與振動臺臺面相應位置錨孔重合，試驗時通過螺桿及螺母將混凝土底座與振動臺臺面固定。橋墩縱筋選用12螺紋鋼筋，箍筋選用6光圓鋼筋。試驗模型如圖2所示。

圖2　試驗模型

1.3相似關系

較大縮尺比的模型施工方便，尺寸效應的影響也相對較小，地震反應更加接近原型結構，因此縮尺比宜盡可能取大值;同時由于振動臺承載能力、吊車起吊能力、試驗場地大小等因素的限制，模型的縮尺比又應控制在一定的范圍之內(nèi)，因此需要選擇合適的縮尺比以達到較理想的試驗結果［6］。根據(jù)福州大學振動臺系統(tǒng)的試驗設備條件，本試驗最終確定模型比例尺為1∶5，振動臺試驗設計相似常數(shù)如表1所示。

表1　振動臺試驗設計相似常數(shù)

1.4支座參數(shù)設計

本試驗選用的支座包括普通板式橡膠支座、高阻尼橡膠支座、鋼阻尼滑板支座，按照水平剛度相似原理，設計縮比模型用支座。試驗模型所用3種支座參數(shù)分別見表2、表3、表4。

表2　鋼阻尼滑板支座參數(shù)

表3　板式橡膠支座參數(shù)

表4　高阻尼橡膠支座參數(shù)

2　振動臺試驗

2.1振動臺試驗設備

試驗在福州大學的地震模擬振動臺上進行。該地震模擬振動臺為三臺陣系統(tǒng)(如圖3所示)，該系統(tǒng)由3個振動臺組成，中間大臺(編號1#臺)尺寸為4 m× 4 m，最大承載力為220 kN;兩邊2個小臺(編號分別為2#臺和3#臺)尺寸均為2.5 m×2.5 m，最大承載力為100 kN。臺面最大位移為±25 cm，臺面滿載最大加速度X向為1.5g、Y向為1.2g。2個小臺可沿縱向導軌自由移動，使得系統(tǒng)最大工作長度達24 m。每個振動臺均有水平雙向和水平面內(nèi)轉動3個自由度［7］。振動波形可以是周期波、隨機波或地震波，工作頻率范圍為0.1～50 Hz。

2.2振動臺試驗工況

結合研究內(nèi)容、試驗目的等，選取了4條人工波和3條具有代表性的天然地震波進行地震波輸入，4條人工波分別為fen tang 1，fen tang 2，fen tang 3，fen tang 4; 3條天然地震波分別為El-Centro波、Tar-Tarzana波、Northridge波。加速度輸入分別為E1地震作用和E2地震作用，加載方向為橋梁縱橋向、橫橋向以及縱橫橋向同時加載。每種支座的橋梁E1和E2地震作用工況個數(shù)均為65個。

3　試驗結果及分析

試驗對比分析了加速度、位移、應變等方面的內(nèi)容，對普通板式橡膠支座、高阻尼橡膠支座和鋼阻尼滑板支座在不同地震波下的減隔震性能進行了測試及對比分析。

3.1E2地震作用下橋面板加速度響應分析

3種支座的橋梁在E2地震作用下橋面板縱橋向最大加速度如圖4所示。

由圖4可見，隨著輸入地震波加速度的增大，3種支座橋梁橋面板加速度峰值差異越來越明顯，E2地震作用下縱橋向普通板式橡膠支座橋梁橋面板加速度峰值達到4.063 m/s2，高阻尼橡膠支座橋梁次之，為3.914 m/s2，鋼阻尼滑板支座橋梁最小，僅為2.734 m/s2。E2地震作用下橫橋向3種支座橋梁的橋面板加速度峰值也具有相同的趨勢。說明鋼阻尼滑板支座隨著地震波加速度峰值的增大，減隔震效果越明顯，且優(yōu)于普通板式橡膠支座和高阻尼橡膠支座。

圖4　3種支座橋面板縱橋向最大加速度

3.2梁端位移響應分析(圖5)

從圖5可以看出隨著地震動峰值增大，梁端位移也在增大。在E1及中間工況地震作用時3種支座梁端位移響應相差不大;當在E2地震作用下時，普通板式橡膠支座橋梁的梁端位移明顯大于鋼阻尼滑板支座和高阻尼橡膠支座橋梁?？v橋向普通板式橡膠支座橋梁的梁端位移為43.36 mm，鋼阻尼滑板支座橋梁梁端位移為24.29 mm，高阻尼橡膠支座橋梁梁端位移為23.04 mm。另外，從橫橋向不同工況下梁端位移看，鋼阻尼滑板支座橋梁梁端位移明顯小于普通板式橡膠支座和高阻尼橡膠支座。說明隨著地震動峰值增大，鋼阻尼滑板支座和高阻尼橡膠支座減隔震效果明顯優(yōu)于普通板式橡膠支座，鋼阻尼滑板支座減隔震性能在橋梁橫橋向表現(xiàn)得更好。

圖5　不同工況下梁端位移對比

圖6　不同工況下中墩墩底應變對比

3.3應變響應分析(圖6)

圖6(a)表明，各工況下，普通板式橡膠支座橋梁中墩墩底縱橋向應變響應明顯高于鋼阻尼滑板支座和高阻尼橡膠支座橋梁，且鋼阻尼滑板支座橋梁的應變響應較高阻尼橡膠支座橋梁要小。E2地震作用時，普通板式橡膠支座橋梁墩底縱橋向應變響應為958× 10－6，鋼阻尼滑板支座橋梁為606×10－6，高阻尼橡膠支座橋梁為853×10－6，說明鋼阻尼滑板支座減隔震效果較好。圖6(b)表明，各工況下，鋼阻尼滑板支座和高阻尼橡膠支座橋梁墩底應變響應相差不大，均優(yōu)于普通板式橡膠支座。E2地震作用時，普通板式橡膠支座橋梁墩底橫橋向應變響應為609×10－6，鋼阻尼滑板支座橋梁為471×10－6，高阻尼橡膠支座橋梁為466×10－6。

4　結論

地震動峰值較小時(E1地震作用)，鋼阻尼滑板支座和高阻尼橡膠支座的減隔震性能要優(yōu)于板式橡膠支座，鋼阻尼滑板支座和高阻尼橡膠支座的減隔震效果接近;地震動峰值越大(E2地震作用)，鋼阻尼滑板支座的減隔震優(yōu)越性越突出，其減隔震效果優(yōu)于高阻尼橡膠支座，且兩者均優(yōu)于板式橡膠支座。

［1］曹永占．橋梁板式橡膠支座的工程應用及問題探究［J］．交通世界，2010，9(5):230-231．

［2］李曉翔，張勇．公路橋梁板式橡膠支座典型病害及原因分析［J］．鐵道建筑，2013(6):27-30．

［3］王延平．橋梁板式橡膠支座病害案例分析［J］．交通科技，2012，10(5):48-51．

［4］汪青杰，張延年，張軍，等．凍融條件下四氟滑板橡膠支座受壓性能研究［J］．土木工程學報，2014，47(1):130-135．

［5］王雷，陳政清，陳彥北，等．鋼阻尼滑板支座體系在常規(guī)橋梁中應用探索［J］．世界地震工程，2014，30(4):147-150．

［6］楊旭東．振動臺模型試驗若干問題的研究［D］．北京:中國建筑科學研究院，2005．

［7］吳慶雄，黃育凡．鋼管混凝土組合桁梁-格構墩輕型橋梁振動臺陣試驗研究［J］．工程力學，2014，31(9):89-96．

(責任審編 孟慶伶)

Research on New Steel Dam ping Slide Bearings of Girder Bridge w ith Shaking Table Test

KONG Lingjun1，ZHANG Yinxi1，XIA Zhanghua2，CAO Zhifeng1
(1．Zhuzhou Times New Material Technology Co．，Ltd．，Zhuzhou Hunan 412007，China; 2．School of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou Fujian 350108，China)

Seismic dissipation and isolation effect of a new steel dam ping slide bearing was analyzed in this paper．A two-span simp ly supported girder bridge with a continuous deck was taken as research background project．A shaking table test of the bridge model was conducted using a three-shaking table system．Three bearings were analyzed including ordinary laminated rubber bearing，high dam ping rubber bearing and steel dam ping slide bearing．The results show that when the earthquake dynam ic peak is small(E1 earthquake action)，seismic dissipation and isolation effects of steel dam ping slide bearing and high dam ping rubber bearing are close and outw eigh ordinary laminated rubber bearing．As the earthquake dynamic peak increases(E2 earthquake action)，steel dam ping slide bearing outweighs the other two bearings in terms of seismic dissipation and isolation effect．The experimental test verified the feasibility of application of steel dam ping slide bearing into simply supported girder bridges with a continuous deck．

Steel dam ping slide bearing;Shaking table;Experimental research;Seismic dissipation and isolation effect

U443.36+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．09

1003-1995(2016)11-0034-04

2016-08-19;

2016-09-20

孔令俊(1983—)，男，工程師，碩士。