考慮板式支座滑動效應(yīng)的橋梁振動臺試驗(yàn)研究

王凱睿，徐秀麗，李雪紅，李枝軍，田國偉，劉偉慶

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210009)

考慮板式支座滑動效應(yīng)的橋梁振動臺試驗(yàn)研究

王凱睿，徐秀麗，李雪紅，李枝軍，田國偉，劉偉慶

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210009)

在地震作用中，板式橡膠支座的滑動現(xiàn)象普遍存在，并可能導(dǎo)致梁體移位過大、梁體碰撞甚至落梁等一系列的連鎖反應(yīng)。通過試驗(yàn)對板式橡膠支座的滑動問題進(jìn)行了研究；試驗(yàn)結(jié)果表明：高速公路典型橋梁中板式橡膠支座在還未達(dá)到設(shè)防地震作用就會發(fā)生滑動，很難滿足《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》中規(guī)定的板式橡膠支座在地震作用下不允許發(fā)生滑動的要求；板式橡膠支座上表面先與下表面發(fā)生滑動，并且支座上表面滑動也更為頻繁、尺度也更大；板式橡膠支座的滑動具有一定的隔震作用，可有效減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，但這種隔震作用極不穩(wěn)定；下部結(jié)構(gòu)的大變形會使支座發(fā)生卡壓，阻止其滑動位移的進(jìn)一步擴(kuò)大，間接發(fā)揮了防落梁作用。試驗(yàn)中板式橡膠支座間存在不均勻受壓，導(dǎo)致部分橋墩受力過大而提前失效。

橋梁；振動臺試驗(yàn)；板式橡膠支座；滑動；隔震

通過對國內(nèi)常采用的板式橡膠支座橋梁震害的深入調(diào)查發(fā)現(xiàn)，板式橡膠支座在地震作用下容易產(chǎn)生滑動，從而導(dǎo)致主梁移位過大，進(jìn)而引發(fā)梁體間碰撞及與擋塊碰撞，嚴(yán)重者甚至?xí)l(fā)生落梁[1-2]。另外碰撞還會對下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，可能導(dǎo)致橋墩迅速屈服，增加垮塌的危險[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對板式橡膠支座滑動可能發(fā)生的位置一直沒有定論，通常認(rèn)為支座的上下兩個表面均可能發(fā)生滑動，但對震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)典型梁式橋中板式橡膠支座的滑動主要發(fā)生在板式橡膠支座上表面與梁底的接觸面上[4-5]，所以目前對板式橡膠支座滑動機(jī)理的認(rèn)識還存有一定的局限性，需要做深入的研究。

板式橡膠支座滑動后可以對橋梁上部結(jié)構(gòu)起到一定的隔震作用[6]，這一點(diǎn)從汶川地震的震害中已得到印證。但這種滑動隔震究竟有多大的效果，在橋梁抗震設(shè)計中是否可以對這一有利現(xiàn)象加以利用，目前對這一問題的研究很少。Filipov等[7-9]對一種采用改進(jìn)的板式橡膠支座的準(zhǔn)隔震橋梁體系進(jìn)行了一系列的研究，結(jié)果也印證了準(zhǔn)隔震體系的地震反應(yīng)有很大的不確定性。眾多學(xué)者進(jìn)行的研究都偏重于滑動之后的梁體限位和碰撞問題[10-12]，但對支座滑動行為及其對橋梁下部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響研究不足。

本文以高速公路上的中等跨徑典型連續(xù)梁橋?yàn)樵停_展了縮比模型振動臺試驗(yàn)，記錄了板式橡膠支座的滑動行為，對比分析了各工況下結(jié)構(gòu)的動力特性、加速度反應(yīng)和板式橡膠支座滑動的相互影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果可為板式橡膠支座橋梁的抗震設(shè)計提供參考。

1 振動臺試驗(yàn)概況

1.1 模型相似比

振動臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨脐P(guān)系的確定是試驗(yàn)設(shè)計的關(guān)鍵。本次振動臺試驗(yàn)[13]的原型結(jié)構(gòu)為典型連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，共3跨(3×30 m)，總長90 m。在綜合考慮振動臺性能參數(shù)、施工條件和吊裝能力等因素后，確定三個基本量幾何相似比SL=1/20、加速度相似比Sσ=1和應(yīng)力相似比Sa=1，然后根據(jù)量綱分析法推導(dǎo)出其他參數(shù)的相似關(guān)系，具體相似關(guān)系見表1。

表1 模型相似關(guān)系Tab.1 Similitude relation of quantities

1.2 模型及材料設(shè)計

根據(jù)相似關(guān)系，對支座比例縮尺的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?橋跨3 m×1.5 m)，如圖1所示。

圖1 振動臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Bridge model of shaking table test

本次試驗(yàn)主要研究在縱向地震作用下橋墩和支座的地震反應(yīng)，主梁的模擬重點(diǎn)在于對其質(zhì)量的模擬，為方便模型制作和配重施加，將主梁設(shè)計成單箱截面。考慮到板式橡膠支座在地震作用下，存在下表面發(fā)生滑動的可能性，因此為提供足夠的滑動空間，模型中對蓋梁寬度進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募訉挕蚨罩睆?5mm，墩高500mm，模型的混凝土強(qiáng)度相似比為1∶1，采用C30混凝土，鋼筋及混凝土材料性能參數(shù)見表2。

表2 鋼筋及混凝土的力學(xué)性能參數(shù)

Tab.2 Parameters of reinforcing bars and concrete

MPa

1.3 板式橡膠支座設(shè)計

以滿足全橋結(jié)構(gòu)動力特性相似關(guān)系為原則設(shè)計板式橡膠支座，支座的水平等效剛度為250 kN/m，支座構(gòu)造圖及支座成品照片，見圖2。

圖2 板式橡膠支座Fig.2 The laminated rubber bearing

1.4 試驗(yàn)測量設(shè)備及工況

在底座、墩頂和主梁上布置加速度傳感器，在橋墩鋼筋上布置了應(yīng)變片來測量墩底的鋼筋應(yīng)變，見圖3。利用攝影測量技術(shù)進(jìn)行位移測量，在、、?、四個軸線墩架設(shè)攝像機(jī)，通過支座及橋墩墩身上布設(shè)標(biāo)靶測點(diǎn)的動態(tài)位移視頻得出測點(diǎn)的實(shí)測位移[14]。

圖3 加速度傳感器及應(yīng)變片布置Fig.3 Arrangement of accelerometer and strain gauge

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康摹⑾绕诘睦碚撚嬎愫陀嘘P(guān)地震波的特性，選用El-Centro地震波、根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜以能量相等原則擬合得到的規(guī)范反應(yīng)譜模擬地震波(簡稱擬合波)以及安評報告提供的原型結(jié)構(gòu)橋址處的人工地震波(簡稱人工波)作為本次試驗(yàn)的地震動輸入，見圖4。

試驗(yàn)按從小到大的順序加載，加載的順序依次為0.15g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g，共計28個工況。在不同峰值加速度地震波輸入階段前后，對模型進(jìn)行白噪聲(0.05g)掃頻，測量結(jié)構(gòu)的動力特征參數(shù)。

圖4 試驗(yàn)加載的地震波Fig.4 Seismic waves of test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及動力特性

本次試驗(yàn)按試驗(yàn)工況逐次加載，再現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)現(xiàn)象，地震反應(yīng)隨著地震動峰值加速度的增大而愈加劇烈。板式橡膠支座在地震中會發(fā)生滑動現(xiàn)象，且隨著地震動強(qiáng)度的增大而愈加嚴(yán)重。對比支座上下表面的滑動情況可以看出，支座上表面比支座下表面容易滑動，并且滑動幅度也比下表面大很多。最后橋墩墩底破壞嚴(yán)重，橋墩變形很大，但此時支座的滑動由于支座被卡壓后而得到限制。

圖5 模型頻率統(tǒng)計Fig.5 Frequency statistics of model

對峰值加速度地震波輸入后的掃頻工況頻譜分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，見圖5。從圖5可知，在0.3g地震波輸入前結(jié)構(gòu)的頻率略有下降，說明結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，0.3g地震波輸入后，結(jié)構(gòu)頻率明顯下降，結(jié)構(gòu)破壞損傷進(jìn)入塑性狀態(tài)。所有工況完成后結(jié)構(gòu)自振頻率與初始頻率相比下降了約30%，結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。

2.2 支座滑動特性分析

試驗(yàn)中主要測量了板式橡膠支座上表面滑動位移、下表面滑動位移、支座變形、上下部結(jié)構(gòu)相對位移及墩頂位移，下面根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對支座的滑動行為及其規(guī)律進(jìn)行分析。

2.2.1 板式橡膠支座上、下表面滑動行為

在整個試驗(yàn)過程中，支座的上、下表面均產(chǎn)生了滑動現(xiàn)象，且上表面的滑動幅度遠(yuǎn)大于下表面。支座上表面在地震動峰值加速度0.2g作用下就發(fā)生了明顯的滑動現(xiàn)象，并且產(chǎn)生了殘留位移，此時尚未達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度。高烈度地震作用下，支座下表面在地震動峰值加速度0.4g作用下開始出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，但滑動幅度較小，且基本沒有產(chǎn)生殘留位移。

2.2.2 上下部結(jié)構(gòu)相對位移

仍以A-1支座為例，圖7給出人工波各工況下上、下部結(jié)構(gòu)的相對位移時程曲線。板式橡膠支座橋梁在地震作用下，上、下部結(jié)構(gòu)的相對位移是支座的變形與支座滑動效應(yīng)的疊加。

從圖7可知：隨著地震動加速度峰值的增大，上、下部結(jié)構(gòu)相對位移逐漸增大，但當(dāng)?shù)卣饎舆_(dá)到一定強(qiáng)度后，上、下部結(jié)構(gòu)相對位移基本穩(wěn)定。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥詈笫怯捎谙虏拷Y(jié)構(gòu)發(fā)生了充分的延性而破壞，而非落梁破壞，是一種較理想的破壞模式。但若下部結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，支座的滑動將不會受到卡壓的影響，上、下部結(jié)構(gòu)間的相對位移有可能較大甚至落梁，此時需注意防落梁措施的設(shè)計。

圖6 板式橡膠支座上、下表面滑動情況Fig.6 The slipping station of the laminated bearings

圖7 上、下部結(jié)構(gòu)相對位移Fig.7 The relative displacements between upper and under structure

2.3 板式橡膠支座橋梁地震反應(yīng)特性分析

本文對各工況下主梁加速度與墩頂加速度進(jìn)行對比分析，出于篇幅考慮在此也僅給出了人工波各試驗(yàn)工況下加速度反應(yīng)情況，見圖8。

地震動輸入峰值加速度小于0.3g時，板式橡膠支座就已出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)。對比支座滑動前后上下部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)(見圖8(a)與圖8(b))可知，支座滑動后產(chǎn)生了比較明顯的隔震效果，并且隨著地震動加速度的增大，支座的隔震效果越明顯。

輸入地震動峰值加速度0.5g后，橋墩塑性鉸發(fā)展嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)處于塑性狀態(tài)。由圖8(c)和圖8(d)可知，墩頂加速度開始減小，地震動峰值加速度0.6g時墩頂加速度僅0.3g，說明結(jié)構(gòu)的弱化減弱了地震動的傳遞。

2.4 橋梁下部結(jié)構(gòu)損傷對支座反應(yīng)的影響

從圖9可知：在峰值加速度0.3g地震動作用下，橋墩鋼筋發(fā)生了首次屈服；在峰值加速度0.4g和0.5g地震動作用下橋墩屈服嚴(yán)重，有較大的殘余應(yīng)變；在峰值加速度0.6g地震動作用下由于鋼筋應(yīng)變過大而導(dǎo)致應(yīng)變片失效。

圖8 人工波各工況主梁與墩頂加速度對比Fig.8 Comparative analysis on acceleration time-history between main girder and cap under the modes of the artificial acceleration wave

圖9 墩底鋼筋應(yīng)變Fig.9 The statistics of pier bottom bar strain

A-1號板式橡膠支座的變形峰值情況見圖10，結(jié)合橋墩的屈服情況，可以看出在橋墩發(fā)生屈服之前，支座的變形隨著地震動的增大而增大；在橋墩發(fā)生屈服后，支座變形隨著地震動的增大而減小。這種現(xiàn)象說明，橋墩屈服后，板式橡膠支座本身低剪切剛度而產(chǎn)生的隔震作用被下部結(jié)構(gòu)剛度的降低而弱化。

圖10 支座變形峰值Fig.10 The deformation peak values statistics of bearing

圖11 橋墩變形及支座變形與卡壓Fig.11 Deformation of pier and bearing

2.5 支座間不均勻受壓對支座滑動的影響

實(shí)際工程中會存在支座間不均勻受壓的現(xiàn)象，本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)支座不均勻受壓的情況也確實(shí)存在。由于存在支座間不均勻受壓的情況，軸線、軸線因支座的摩擦力較小，支座容易發(fā)生滑動，?軸線、軸線因摩擦力較大，支座滑動不明顯，如圖12所示。

圖12 各軸線上支座滑動情況Fig.12 The bearing slipping station of different axis

需要說明的是：在對稱結(jié)構(gòu)上，由于支座的不均勻受壓導(dǎo)致通過摩擦力傳遞的地震反應(yīng)不對稱，從而會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致部分截面的受壓過大。墩柱頂部在扭矩作用下發(fā)生開裂，如圖13所示。

圖13 墩頂裂縫Fig.13 Cracks in the pier top

2.6 支座滑動的隔震效應(yīng)

圖14 各軸線地震反應(yīng)對比Fig.14 The comparison of earthquake response between different axis

人工波峰值加速度為0.15g、0.3g和0.4g地震動作用下，A-1橋墩和D-1橋墩墩底鋼筋應(yīng)變對比，如圖15所示。

圖15 A-1、D-1墩底鋼筋應(yīng)變對比Fig.15 The rebar strain comparison between A-1 and D-1

對比分析以上各圖可以看出：在支座未發(fā)生滑動時，A-1墩底鋼筋應(yīng)變與D-1墩底鋼筋應(yīng)變基本一致，說明此時兩橋墩受力水平相當(dāng)(見圖15(a))；在支座發(fā)生滑動后，由于A-1支座滑動明顯，D-1支座滑動微弱，兩者地震反應(yīng)出現(xiàn)了差異，A-1墩底應(yīng)變明顯小于D-1墩底應(yīng)變，在地震動輸入完成后A-1墩底鋼筋沒有出現(xiàn)殘余應(yīng)變，而D-1墩底鋼筋出現(xiàn)了明顯的殘余應(yīng)變(見圖15(b))；當(dāng)A-1支座與D-1支座滑動差異加大后，A-1橋墩與D-1橋墩的地震反應(yīng)差異度變得更大(見圖15(c))。

3 結(jié) 論

本文以典型高速公路連續(xù)梁橋?yàn)樵驮O(shè)計制作了振動臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ停囼?yàn)較好地呈現(xiàn)了板式橡膠支座在地震作用下的滑動現(xiàn)象，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 板式橡膠支座由于剛度較小具有一定的隔震作用；支座滑動后，支座的隔震效果更加明顯；板式橡膠支座的滑動降低了結(jié)構(gòu)加速度的反應(yīng)，對減小橋梁地震反應(yīng)有積極作用，但這種隔震作用不穩(wěn)定，因此難以定量。

(2) 板式橡膠支座上下表面均發(fā)生了滑動現(xiàn)象，上表面先于下表面滑動，且上表面的滑動距離也遠(yuǎn)大于下表面板式橡膠支座的滑動容易導(dǎo)致上下部結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生較大的相對位移，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)板式橡膠支座的滑動特點(diǎn)采取限位措施。

(3) 在試驗(yàn)中由于橋墩損傷和剛度弱化，導(dǎo)致支座發(fā)生傾斜并在支座邊緣與主梁發(fā)生卡壓，支座的這種非正常工作狀態(tài)，在一定程度上對橋梁抗震是有利的。合理設(shè)置下部結(jié)構(gòu)，可使橋梁在地震作用下獲得理想的破壞模式。

(4) 板式橡膠支座間的不均勻受壓會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致對稱軸線上構(gòu)件的地震反應(yīng)不同，導(dǎo)致部分橋墩或支座受力過大而提前失效，對橋梁抗震非常不利。在實(shí)際工程中，應(yīng)保證施工質(zhì)量盡量減少支座間的不均勻受壓。

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A study of the concrete continuous girder bridge shaking table test considering the sliding of laminated rubber bearings

WANG Kairui, XU Xiuli, LI Xuehong, LI Zhijun, TIAN Guowei, LIU Weiqing

(Department of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China)

The sliding of rubber bearings (RB) was a common phenomenon under seismic excitation, which causes a series of chain reaction, consisting of larger displacement of girder, collision among girders, and even girder falling. The sliding problem of RB was studied through experiments in this paper. The results show that: RB of typical highway bridges will slide less than the seismic load of fortification intensity. It is difficult to meet the requirements of ‘Guideline for Seismic Design of Highway Bridges’, which prescribes that RB is not allowed to slide under earthquake action. The upper surface of RB will slide earlier than the lower surface and the sliding frequency and extend are also greater for the upper surface. The sliding of RB has a certain isolation effect, which can effectively reduce the seismic response of the bridge. However, the isolation effect is unstable. The bearing lock-pressure caused by the large deformation of the lower part of the structure will prevent further expansion of the sliding displacement, which indirectly play a role in preventing the girder falling. The uneven pressures among the bearings will cause a local larger stress of some piers, which may lead to an earlier failure of piers during earthquake.

bridge; shaking table test; rubber bearing; slide; isolation

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178220)；江蘇省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目(2013Y12)；江蘇省科技支撐計劃(BE2014716)

2016-01-11 修改稿收到日期： 2016-03-20

王凱睿 男，博士生，1986年生

徐秀麗 女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，1963年生

U443.36+1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.012