非規(guī)則曲線橋梁漂浮抗震體系理論及試驗(yàn)研究

閆磊 李青寧 趙花靜 程龍飛 郭遠(yuǎn)臣 申紀(jì)偉

摘 要：強(qiáng)烈地震使得橋梁結(jié)構(gòu)災(zāi)變嚴(yán)重，非規(guī)則曲線橋梁表現(xiàn)更為突出。首先，提出適用于非規(guī)則曲線橋梁的一種新型抗震體系—漂浮抗震體系，并闡明其基本概念；其次，建立該體系的基本力學(xué)模型，并推導(dǎo)其動(dòng)力方程；最后，以一座相似比為1/20的非規(guī)則曲線橋梁為對(duì)象，采用不同地震波分別對(duì)其進(jìn)行地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：支座滑動(dòng)后，梁體加速度峰值相比墩頂有不同程度降低，最大降低率達(dá)65%；試驗(yàn)過(guò)程中，墩梁相對(duì)位移較大，防落梁限位裝置的設(shè)置在非規(guī)則曲線橋梁中不可或缺；試驗(yàn)結(jié)束后，模型橋梁損傷較小，未出現(xiàn)落梁、整體倒塌等嚴(yán)重震害，證明該體系具有良好的抗震性能，應(yīng)用于高烈度地區(qū)非規(guī)則曲線橋梁的抗震設(shè)計(jì)完全可行。

關(guān)鍵詞：非規(guī)則曲線橋梁；漂浮抗震體系；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；抗震性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U442.55

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1674-4764（2018）04-0103-08

Abstract：The bridge structure is seriously damaged due to strong motion earthquake， and the irregular curved bridge is response more obvious. According to the above， a new seismic system of the irregular curved bridge-floating seismic system has been proposed and the basic concept was elaborated at first. Secondly， the basic mechanical model of the system was established and dynamic equation of the system was derived. Finally， a 1/20 scale curved bridge model with floating seismic system was been built and the shaking table test was conducted with different seismic waves. The results show that， peak acceleration at the top of the pier decreased to some extent compared with the top of pier after the bearings sliding， the maximum reduction rate was 65%. During the test， the relative displacement of pier beam was larger， so the design of the anti fall beam device should be focused on. After the test， there was no serious damages such as beam falling and collapse. It indicates that the seismic performance of the floating seismic system was satisfactony and it could be used for designing curved bridges in high seismic intensity areas.

Keywords：irregular curved bridge；floating seismic system；shaking table test；seismic behavior

在美國(guó)2007版橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[1]修訂以前，加州地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)形式多采用墩梁固結(jié)形式，其結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似于中國(guó)的剛構(gòu)橋。美國(guó)北嶺地震中，采用墩梁固結(jié)的橋梁結(jié)構(gòu)墩頂或墩底遭受?chē)?yán)重破壞[2]。阪神地震與美國(guó)北嶺地震震害程度相似，亦是由于橋墩的延性不足造成了脆性破壞[3]。汶川及玉樹(shù)地震使中國(guó)經(jīng)濟(jì)損失慘重，橋梁破壞形態(tài)出現(xiàn)了許多與以往地震中不一致的情況，表現(xiàn)為支座、梁體滑移明顯但橋墩及基礎(chǔ)損傷較小[4-9]。已有研究結(jié)果表明，以上兩次地震中產(chǎn)生橋梁震害的主要原因是大部分橋梁均采用了普通板式橡膠支座且在未設(shè)置任何錨固措施的前提下直接放置于墩頂或者蓋梁之上，地震作用下極易產(chǎn)生梁體橫縱向位移、擋塊剪切破壞、鄰梁碰撞以及支座失效等震害[10-11]。

迄今為止，研究者們?cè)诓捎脺p隔震手段來(lái)完成基于性能的橋梁抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)方面取得了一些可觀的研究成果，縱觀已有研究成果不難發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們的研究大多數(shù)集中于計(jì)算、構(gòu)造復(fù)雜的一些減隔震裝置，且主要針對(duì)的是直線橋梁[12-18]。

首先，提出基于支座摩擦滑移隔震的非規(guī)則曲線橋梁漂浮抗震體系；其次，建立該體系的基本力學(xué)模型，推導(dǎo)其動(dòng)力方程，探討其工作機(jī)理；再次，運(yùn)用該體系建立一座相似比為1/20的非規(guī)則曲線橋梁，并對(duì)其進(jìn)行不同輸入地震波的地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，探討運(yùn)用該體系設(shè)計(jì)的非規(guī)則曲線橋梁的隔震性能；最后，研究運(yùn)用該體系設(shè)計(jì)的非規(guī)則曲線橋梁的性能破壞模式。通過(guò)研究，以期為非規(guī)則曲線橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的形成提供依據(jù)。

1 漂浮抗震體系的提出

非規(guī)則曲線橋梁漂浮抗震體系主要由兩部分組成，其中一部分是具有耗能減震能力的滑動(dòng)支座，另一部分是防落梁耗能減震措施，是一種以支座摩擦耗能及滑移隔震為一體的新型結(jié)構(gòu)體系。該體系在地震過(guò)程中充分體現(xiàn)了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念，采用分級(jí)耗能的設(shè)計(jì)思想，旨在使橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震發(fā)生后以耗能減震支座或者減震措施的破壞為代價(jià)來(lái)確保橋梁結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生難以修復(fù)的破壞，地震結(jié)束后，僅需通過(guò)局部更換支座或者耗能減震措施等易損部位便可迅速恢復(fù)橋梁結(jié)構(gòu)的通行能力。

根據(jù)地震重現(xiàn)期（烈度大?。┘暗卣鸢l(fā)生的整個(gè)過(guò)程，可以將漂浮抗震體系分為3個(gè)工作階段：階段1，常遇地震（小震）時(shí)，梁體、支座、橋墩之間不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，此時(shí)輸入到結(jié)構(gòu)的能量?jī)H通過(guò)結(jié)構(gòu)自身變形消耗。階段2，設(shè)防地震（中震）時(shí)，由于支座在未做任何特殊處理的前提下被直接放置于橋墩上部，當(dāng)?shù)卣鹆?dǎo)致支座與橋墩或梁體接觸面之間的接觸力大于其最大靜摩擦力時(shí)，支座開(kāi)始出現(xiàn)滑動(dòng)。此時(shí)，不僅接觸面間的摩擦可以耗散地震能量，同時(shí)支座滑動(dòng)后在減小地震力向上部梁體傳遞的同時(shí)也減小上部梁體慣性力向下部橋墩的傳遞。階段3，罕遇地震（大震）時(shí)，地震力較大使得支座已在橋墩上方無(wú)滑動(dòng)空間，梁體與橋墩之間的相對(duì)位移已超過(guò)其初始間距，梁體與防落梁耗能減震措施發(fā)生碰撞，耗散地震能量。

3階段工作簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 漂浮抗震體系力學(xué)簡(jiǎn)化模型

根據(jù)動(dòng)力學(xué)中結(jié)構(gòu)的基本簡(jiǎn)化方法，漂浮抗震體系可以簡(jiǎn)化為兩質(zhì)點(diǎn)體系動(dòng)力模型。地震力作用下，上部梁體的水平剛度較大，變形較小，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)接近于平動(dòng)；同時(shí)，上部梁體水平剛度相比支座水平剛度來(lái)說(shuō)極大；因而將梁體假定為一單質(zhì)點(diǎn)是合理的。分析過(guò)程中不考慮支座的豎向變形。對(duì)于支座下部橋墩，可采用約束條件及剛度與原橋墩完全相同的單質(zhì)點(diǎn)體系進(jìn)行等效，并保證單質(zhì)點(diǎn)體系基頻與原體系等效。采用這種簡(jiǎn)化方式，模型形式簡(jiǎn)單，且突出了漂浮抗震體系的主要影響參數(shù)。簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖2所示。

不考結(jié)構(gòu)的非線性變形，漂浮抗震體系的動(dòng)力方程可以根據(jù)支座滑動(dòng)前及滑動(dòng)后分為幾種狀態(tài)：

狀態(tài)1：支座處于彈性變形階段，橋墩、支座、梁體變形協(xié)調(diào)，支座與其接觸面間無(wú)滑動(dòng)，梁體與限位裝置未發(fā)生碰撞。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3所示。

式中：md、ml分別為橋墩和上部梁體的等效質(zhì)量；kd、kz分別為橋墩的等效剛度、支座的水平剛度；cd、cz分別為橋墩的等效阻尼、支座阻尼；ud（t）、ul（t）、uz（t）、ug（t）分別為橋墩相對(duì)于基礎(chǔ)的位移、支座的剪切變形、梁體相對(duì)于基礎(chǔ)的位移、基礎(chǔ)承受的水平地震地面運(yùn)動(dòng)。

狀態(tài)2：支座頂面與其接觸面發(fā)生滑動(dòng)，梁體與限位裝置未發(fā)生碰撞。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖4所示。

狀態(tài)3：梁體位移過(guò)大，梁體與限位裝置之間的相對(duì)位移超過(guò)梁體與限位裝置之間的初始間距后發(fā)生接觸碰撞。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖5所示。

以上各式即為漂浮抗震體系的不同狀態(tài)的動(dòng)力方程，通過(guò)對(duì)方程求解即可確定橋梁結(jié)構(gòu)主梁、墩頂?shù)忍卣鼽c(diǎn)的位移、加速度等響應(yīng)值。

3 漂浮抗震體系隔震性能試驗(yàn)研究

基于漂浮抗震體系的基本原理，設(shè)計(jì)一座相似比為1/20的非規(guī)則曲線橋梁，并對(duì)其進(jìn)行地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，用以驗(yàn)證漂浮抗震體系理論的正確性。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）相似關(guān)系。動(dòng)力相似在模型結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過(guò)程中起著決定性作用，即一般要求滿足式（5）。

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?、西安建筑科技大學(xué)振動(dòng)臺(tái)具體參數(shù)以及施工技術(shù)等各方面的因素，根據(jù)相似關(guān)系，推導(dǎo)主要相似常數(shù)如表1。

2）模型材料。模型材料選用陶粒混凝土與鋼筋，利用強(qiáng)度C25的陶?；炷两Y(jié)構(gòu)來(lái)模擬實(shí)際強(qiáng)度C50的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，使用Φ6 mm的HRB335級(jí)帶肋鋼筋作為箱梁和橋墩的縱向鋼筋，箱梁和橋墩的箍筋均采用Φ6 mm HPB300級(jí)光圓鋼筋，間距按照6 cm布置。

經(jīng)最終試驗(yàn)確定，試驗(yàn)材料陶?；炷恋膹椥阅Ａ?.2×104 N/mm2，強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C25；鋼材屈服強(qiáng)度為348 MPa，滿足試驗(yàn)要求。

3）模型尺寸。模型長(zhǎng) 3 685 mm，橋墩高 1 555 mm，主梁高100 mm。模型設(shè)計(jì)尺寸如圖6所示。

4）配重。由于模型縮尺及使用陶?；炷恋脑?，制作的模型不能滿足質(zhì)量相似比，按照目前振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的一般解決辦法，為模型進(jìn)行配重。配重過(guò)程中為盡量解決不均勻配重問(wèn)題，課題組成員在模型橋墩和梁體上均進(jìn)行了配重，經(jīng)計(jì)算配重率達(dá)到80%以上，施加配重后的模型如圖7所示。

5）測(cè)點(diǎn)布置。模型共布置2 個(gè)加速度傳感器，分別布置在1#墩墩底和墩頂?shù)那邢蚍较?；共布?個(gè)位移傳感器，分別布置在2#墩墩頂及其上部橋面的徑、切向。

6）地震波的選取。為探討采用漂浮抗震體系進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的非規(guī)則曲線橋梁的工作性能和隔震效率，試驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e采用Imperial valleyive、Taft、、El-Centro、及LZ（蘭州）波作為輸入地震波，研究地震輸入加速度峰值為0.25～1g時(shí)，漂浮抗震體系的地震響應(yīng)規(guī)律，各地震波的參數(shù)如表2所示，時(shí)程曲線及傅里葉譜如圖8～11所示。分析模型沿1#、3#墩方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的弱軸方向，故地震波的方向?yàn)?#、3#墩的連線方向。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）0.25g地震波作用下隔震性能研究

圖12為地震波輸入加速度峰值為0.25g時(shí)的1#墩頂及其上部梁體的切向加速度時(shí)程曲線。

從以上分析可知，地震波加速度峰值較小時(shí)，梁頂相對(duì)于墩頂?shù)募铀俣确逯稻胁煌潭鹊脑黾?，此結(jié)果說(shuō)明橡膠支座與橋墩、梁體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，地震作用下通過(guò)橡膠支座對(duì)墩頂傳遞到梁頂?shù)募铀俣扔蟹糯笮?yīng)。此試驗(yàn)結(jié)果與漂浮抗震體系中的狀態(tài)一相符合。

2）0.75g地震波作用下隔振性能研究

圖13為地震波輸入加速度峰值為0.75g時(shí)，1#墩頂及其上部梁體的切向加速度時(shí)程曲線。

從圖13中分析可以知：地震烈度較大時(shí)，梁體的加速度峰值同墩頂相比均有不同程度的降低，此結(jié)果反應(yīng)出支座的耗能減震作用非常明顯。

為進(jìn)一步說(shuō)明耗能減震的效果，作者將圖13峰值進(jìn)行提取對(duì)比，比較墩頂與梁頂加速度峰值說(shuō)明滑動(dòng)支座耗能減震能力的大小，如圖14所示。

從以上結(jié)果可以看出：4種地震波輸入時(shí)，將橋面加速度峰值相比墩頂，均有不同程度降低，分別減小32%、32%、62%、65%。罕遇地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的支座摩擦滑移現(xiàn)象明顯，消耗了大量的地震能量，橋梁未出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷。通過(guò)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析也證明了，即使在罕遇地震作用下橋墩鋼筋上應(yīng)變數(shù)值仍在彈性范圍內(nèi)，說(shuō)明采用漂浮抗震體進(jìn)行設(shè)計(jì)的非規(guī)則曲線橋梁具有良好的抗震性能，因而為非規(guī)則曲線橋梁采用漂浮抗震體系提供了依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果與漂浮抗震體系中的狀態(tài)2、3相符合。

3.3 防落梁限位裝置分析

采用El-Centro波作用下，地震波輸入加速度峰值分別為0.25g、0.375g、0.5g、0.75g、1g時(shí)2#墩及其上方梁體位移情況進(jìn)行分析，如圖15所示。

通過(guò)對(duì)圖15分析，發(fā)現(xiàn)隨著地震烈度的增加，試驗(yàn)橋梁的徑、切向位移也逐漸增加。若梁體與橋墩之間的相對(duì)位移一旦超過(guò)梁體與限位裝置之間的初始間距，梁體將與限位裝置之間發(fā)生碰撞或者產(chǎn)生落梁震害，因此限位裝置的設(shè)置在防止落梁震害發(fā)生上非常有必要。

在實(shí)際橋梁中，一個(gè)橋墩的蓋梁上方承受梁體橫向滑動(dòng)沖擊的只有一個(gè)擋塊，當(dāng)遇到大震作用時(shí)，往往出現(xiàn)單個(gè)擋塊受力過(guò)大而產(chǎn)生擋塊開(kāi)裂等震害現(xiàn)象。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生并最大限度使用兩側(cè)擋塊共同承受梁體的撞擊，課題組設(shè)計(jì)出一種改進(jìn)后的非規(guī)則橋梁橫向限位擋塊，即將梁體與兩側(cè)擋塊通過(guò)預(yù)先定制好的彈簧減震橡膠組合結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖16、圖17）連接起來(lái)。這種裝置在無(wú)地震作用時(shí)，彈簧處于自由伸長(zhǎng)階段，彈簧上無(wú)力的作用。當(dāng)梁體橫橋向移動(dòng)時(shí)，超過(guò)彈簧的自由長(zhǎng)度后，一側(cè)彈簧壓縮，另一側(cè)彈簧拉伸，即梁體撞向一側(cè)擋塊的同時(shí)，另一側(cè)擋塊上的彈簧開(kāi)始起出現(xiàn)拉力，如此這樣便形成了一個(gè)雙重防落梁保護(hù)措施。橋梁縱向的限位措施如圖18所示，其也是通過(guò)具有自由長(zhǎng)度的彈簧與減震材料組合而成（圖18），當(dāng)梁體向跨中側(cè)運(yùn)動(dòng)，彈簧超過(guò)自由長(zhǎng)度時(shí)，出現(xiàn)拉力，防止落梁；當(dāng)梁體向橋墩側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧超過(guò)自由長(zhǎng)度后，梁體便與預(yù)先設(shè)定的耗能減震材料發(fā)生碰撞，耗散地震能量，阻止梁體繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。因此，彈簧減震材料組合構(gòu)件可以起到縱、橫向的防落梁。

3.4 基于漂浮抗震體系的非規(guī)則曲線橋梁性能破壞模式研究

“多道設(shè)防、分級(jí)耗能”的設(shè)防理念是各國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)基于性能的抗震規(guī)范的發(fā)展方向，對(duì)于非規(guī)則橋梁來(lái)說(shuō)，可以運(yùn)用板式橡膠支座的摩擦滑移特性，結(jié)合限位裝置共同使用，限制其產(chǎn)生較大位移，允許支座或者限位裝置等犧牲性原件的損傷來(lái)避免過(guò)大地震力傳遞給橋墩，并同時(shí)設(shè)置合理的防落梁長(zhǎng)度，避免落梁震害。對(duì)考慮板式橡膠支座摩擦滑移的非規(guī)則橋梁在縱、橫向上均采用“彈簧耗能減震材料組合構(gòu)件”的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)常遇地震（小震）、設(shè)防地震（中震）及罕遇地震（大震），分為以下幾種破壞模式：

常遇地震時(shí)，支座發(fā)生彈性變形或發(fā)生較小的滑移，不影響使用要求，限位裝置與上部結(jié)構(gòu)件有足夠的間距允許梁體滑動(dòng)，且梁體滑動(dòng)后不與限位裝置發(fā)生碰撞。

設(shè)防地震時(shí)，支座受水平力過(guò)大后，發(fā)生摩擦滑移，梁體與限位裝置碰撞耗能，減小下部結(jié)構(gòu)受力，進(jìn)而使得下部結(jié)構(gòu)保持為彈性或者低損傷狀態(tài)。

罕遇地震時(shí)，支座損傷嚴(yán)重防落梁耗能減震措施損傷嚴(yán)重，限位裝置發(fā)揮作用，允許橋墩底部進(jìn)入部分延性，但必須保證上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)具有足夠的防落梁長(zhǎng)度，嚴(yán)防落梁震害發(fā)生。

4 結(jié)論

提出了非規(guī)則曲線橋梁漂浮抗震體系的基本概念，建立該體系的基本力學(xué)模型，推導(dǎo)其動(dòng)力方程。通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了漂浮抗震體系的合理性，分析了該體系應(yīng)用過(guò)程中限位裝置的重要性，對(duì)該體系下非規(guī)則橋梁的破壞模式進(jìn)行了研究。

1）非規(guī)則曲線橋梁漂浮抗震體系概念清晰、力學(xué)模型準(zhǔn)確，工作機(jī)理可靠明確，抗震試驗(yàn)效果顯著，性能破壞模式正確，完全適用于非規(guī)則曲線橋梁的抗震設(shè)計(jì)。

2）非規(guī)則曲線橋梁在應(yīng)用漂浮抗震體系進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)支座滑動(dòng)前，支座對(duì)墩頂傳入梁體的地震波有一個(gè)放大效應(yīng)；當(dāng)支座進(jìn)入滑動(dòng)狀態(tài)后，梁體相對(duì)墩頂?shù)募铀俣软憫?yīng)均有較大減小，故支座滑動(dòng)后，其隔震效果顯著。

3）常遇地震作用下，支座受力較小，基本不滑移，依靠結(jié)構(gòu)本身變形耗能；設(shè)防地震發(fā)生后，支座摩擦滑移隔震作用有助于減小橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度；罕遇地震發(fā)生后，摩擦耗能、滑移隔震、防落梁耗能減震措施協(xié)同工作，避免橋梁倒塌，充分體現(xiàn)了其符合基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念。

4）應(yīng)用漂浮抗震體系后，非規(guī)則曲線橋梁在地震過(guò)程中支座、耗能減震擋塊等犧牲性原件損傷嚴(yán)重，但橋墩損傷較小，僅需通過(guò)簡(jiǎn)單更換支座或耗能減震擋塊便可快速恢復(fù)橋梁的運(yùn)營(yíng)能力，同時(shí)大大減小損失，提高救災(zāi)效率。

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（編輯 胡玲）