隔震連續(xù)梁橋地震響應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

隔震連續(xù)梁橋地震響應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

在對(duì)受影響橋梁結(jié)構(gòu)的模擬地震激勵(lì)平臺(tái)的試驗(yàn)中，可以確認(rèn)受影響橋梁的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響以及受影響程度、模擬分析模式和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。這是目前模擬地震作用的有效結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和研究方法。Kelly等對(duì)采用低阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座的隔震橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究,得出增加隔震系統(tǒng)的阻尼能減少橋面位移,通過延長隔震周期可以減小橋面加速度反應(yīng)。Constantinou等對(duì)滑移隔震橋梁系統(tǒng)進(jìn)行了模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。Tsopelas等對(duì)單跨彈性橋墩隔震橋梁模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)并且和非隔震橋的動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行了比較。范立礎(chǔ)等對(duì)橋梁板式橡膠支座、聚四氟乙稀滑板橡膠支座的簡支梁橋模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和計(jì)算分析。張俊平等以南疆鐵路布谷孜大橋?yàn)楣こ瘫尘?對(duì)橋梁隔震體系采用三種支座形式(傳統(tǒng)支座、天然橡膠支座和滑板支座),進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,并且分析了橡膠支座水平剛度、地震輸入頻譜特性、地震烈度等因素對(duì)隔震效果的影響。李加武等通過橋梁模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),分析了阻尼、墩高、支撐剪切剛度對(duì)模型梁和橋墩減震性能的影響。然而多數(shù)試驗(yàn)多為單跨簡支隔震梁橋,對(duì)隔震連續(xù)梁橋進(jìn)行試驗(yàn)較為少見,試驗(yàn)所用的支座也大多是疊層橡膠支座,且對(duì)地震動(dòng)的輸入都是沿順橋方向輸入的,然而實(shí)際地震動(dòng)是三向的。在雙向或三向地震作用下,連續(xù)梁橋隔震體系的地震反應(yīng)特性及隔震效果等與單向地震作用下的異同性,隔震支座在多維地震作用下兩水平正交方向的耦合性能,以及計(jì)算模型中考慮隔震支座雙向耦合性能對(duì)隔震橋梁地震反應(yīng)的影響等都有待進(jìn)一步研究。此外,我國隔震橋梁結(jié)構(gòu)研究較晚,僅限于少數(shù)隔震橋梁的工程試點(diǎn)階段,沒有相關(guān)的規(guī)范和設(shè)計(jì)規(guī)范供工程設(shè)計(jì)人員參考,因而進(jìn)行系統(tǒng)的、大量的模擬地震動(dòng)輸入的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是非常必要的。本文對(duì)鉛芯橡膠隔震連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究了多向地面運(yùn)動(dòng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性,隔震效果,隔震支座的豎向性能,兩水平正交方向力-變形關(guān)系以及耦合性能等,并通過這些試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果為隔震橋梁結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用提供有力的依據(jù)。1梁橋復(fù)等速度模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)總結(jié)1.1結(jié)構(gòu)模型相似關(guān)系及原型物質(zhì)考慮振動(dòng)臺(tái)實(shí)際最大承載力為15t,臺(tái)面尺寸3m×3m,三向六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)等試驗(yàn)設(shè)備能力特性因素,根據(jù)相似原理以及橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)的相關(guān)理論,模型各參數(shù)相似關(guān)系如表1所示,模型和原型物理量如表2所示,圖1為1/10橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)照片。1.2中心孔徑鉛芯為d考慮到橡膠支座力學(xué)性能的穩(wěn)定性和模型結(jié)構(gòu)的總重量,試驗(yàn)用方形鉛芯橡膠支座邊長取a=90mm,中心孔徑(鉛芯)為d=16mm,橡膠層厚度tr=3mm,橡膠層數(shù)nr=9層,橡膠層總厚度Tr=27mm;鋼板層厚ts=1.5mm,鋼板層數(shù)ns=8層,鋼板總厚度Ts=12mm,隔震支座上下連接鋼板厚20mm,方形鉛芯橡膠支座性能參數(shù)如表3所示。1.3試驗(yàn)波和數(shù)量試驗(yàn)用地震波選取考慮到現(xiàn)有地震記錄的持時(shí),地面運(yùn)動(dòng)幅度和頻譜成分的復(fù)雜性、場地類別、地震區(qū)烈度、斷層等各種因素,同時(shí)考慮本試驗(yàn)不具體針對(duì)某一特定區(qū)域,所以選擇了五組代表不同情況的強(qiáng)震觀測地震波:ElCentro地震波,Kobe地震波,Chi-Chi1地震波,Chi-Chi2地震波,Chi-Chi3地震波,分別為代表遠(yuǎn)場地,近斷層,硬場地,中等場地,軟土場地。在試驗(yàn)輸入時(shí),進(jìn)行了時(shí)間壓縮和幅值調(diào)整以形成試驗(yàn)波。所謂試驗(yàn)波就是將原地震記錄時(shí)間壓縮為1/3.16,幅值則根據(jù)對(duì)應(yīng)八度設(shè)防烈度、八度罕遇烈度、九度罕遇烈度分別調(diào)整為0.2g、0.4g和0.6g,為了表述上的方便,仍采用的小震、中震和大震的表示方法。對(duì)隔震梁橋模型試驗(yàn)進(jìn)行多維地震動(dòng)輸入時(shí),分別有單向、雙向和三向地震動(dòng)輸入。為了表述和分析方便,對(duì)輸入加速度方向與多向輸入有關(guān)工況進(jìn)行編號(hào),水平單向x,水平雙向xy,三向xyz輸入的編號(hào)分別為1Dx,2Dxy,3Dxyz,對(duì)應(yīng)同方向輸入加速度的幅值相同。多維地震作用下鉛芯橡膠支座試驗(yàn)設(shè)計(jì)加載工況及實(shí)際地震動(dòng)輸入加速度幅值見文獻(xiàn)。1.4種傳感器的布置模型橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)量測的內(nèi)容可分為四大類,即加速度量測,位移量測,應(yīng)變量測和力的量測。在模擬地震作用時(shí),三向力傳感器測量鉛芯橡膠支座兩水平正交方向和豎直方向的受力,激光位移傳感器來量測支座水平變形量,加速度傳感器和位移傳感器的布置在振動(dòng)臺(tái)面,墩底,墩頂以及橋臺(tái)和墩頂對(duì)應(yīng)的橋面處;隔震層布置有三向力傳感器和和激光位移傳感器,每個(gè)橋墩的墩底布置有四個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。本試驗(yàn)在廣州大學(xué)工程抗震研究中心MTS公司生產(chǎn)的三向六自由度3m×3m振動(dòng)臺(tái)上完成的。2在多段地震的影響下，梁橋連續(xù)模型的結(jié)果和分析2.1加速度反應(yīng)時(shí)程圖2為ELCentro地震波在x向,y向,z向加速度幅值分別歸一為0.596g,0.485g,0.368g時(shí),橋墩和橋面在順橋向(x方向)和橫橋向(y方向)的加速度反應(yīng)時(shí)程曲線。在單向,雙向和三向輸入情況下,橋面順橋向峰值加速度比橋墩處的峰值加速度,分別降低了70%,69.6%,65%,在雙向和三向輸入情況下,橋面橫橋向峰值加速度比橋墩處的峰值加速度分別降低了50%,46%?？梢妼?duì)ELCentro地震波,橫橋向加速度峰值在雙向或三向輸入時(shí),橫橋向加速度峰值減小了大約一半,與橋梁結(jié)構(gòu)順橋向加速度反應(yīng)相接近,同樣取得較為理想的峰值加速度減幅效果。在單向,雙向和三向輸入時(shí),橋梁的順橋向,橫橋向都有良好的峰值加速度減幅效果。單向和雙向輸入時(shí),加速度反應(yīng)很接近,三向輸入時(shí),加速度反應(yīng)有所增大,而且橋面和橋墩加速度反應(yīng)的增減變化趨向呈同步同相形態(tài)。圖3顯示了Chi-Chi3地震波在x向,y向,z向加速度幅值分別歸一為0.40g,0.342g,0.228g時(shí),橋墩和橋面在順橋向(x方向)和橫橋向(y方向)的加速度反應(yīng)時(shí)程曲線。在單向、雙向和三向輸入情況下,橋面在順橋向峰值加速度比橋墩處的峰值加速度,分別降低了32%,36%,31%。在雙向和三向輸入情況下,橋面在橫橋向峰值加速度比橋墩處的峰值加速度,分別降低了32%,31%?？梢妼?duì)Chi-Chi3地震波,在地震動(dòng)單向、雙向或三向輸入時(shí),橋面順橋向或橫橋向的峰值加速度約降低了1/3,對(duì)減小峰值加速度有一定的效果。但是由圖3可以看出,無論是在順橋方向還是橫橋方向,橋面和橋墩加速度反應(yīng)的增減變化趨向呈非同步同相形態(tài),加速度幅值存在“漂移”和局部加速度放大現(xiàn)象,因此對(duì)軟土場地不宜采用隔震技術(shù)或應(yīng)采取審慎的態(tài)度。多維地震動(dòng)輸入時(shí)橋面加速度反應(yīng)歸一化峰值如表5所示,可見,在地震動(dòng)輸水平單向、水平雙向及三向同地輸入時(shí)的情況,橋梁模型結(jié)構(gòu)橋面加速度反應(yīng)表明:水平單向輸入和雙向同時(shí)輸入時(shí),橋面加速度反應(yīng)相差不大,但有豎向地震輸入時(shí),加速度有明顯增加。2.2多向地震動(dòng)的輸出Kobe地震波在單向,雙向和三向地震動(dòng)輸入時(shí)橋面和橋墩墩頂?shù)奈灰品磻?yīng)時(shí)程曲線如圖4所示,表6顯示了多向地震動(dòng)輸入時(shí)橋面和橋墩頂?shù)奈灰品磻?yīng)的峰值。由此可見,在地震動(dòng)雙向輸入時(shí),順橋向橋面位移比單向輸入時(shí)有所增大,在有兩水平和豎向地震動(dòng)同時(shí)輸入時(shí),Kobe地震波作用下的橋面位移增大較為明顯,而其余幾種震波作用下,橋面位移變化不是太明顯;橫橋向橋墩頂位移較順橋向小。2.3波場分布積分法圖5為Chi-Chi3地震波以不同峰值加速度輸入時(shí)鉛芯橡膠支座的水平力-變形滯回曲線。比較地震波沿順橋向輸入,順橋向和橫橋向輸入,水平雙向和豎向同時(shí)輸入時(shí),三者滯回環(huán)形狀相似,但單向輸入時(shí)滯回曲線最規(guī)則,呈現(xiàn)出良好的雙線性滯回特性,雙向及三向地震波輸入時(shí),滯回曲線較單向輸入較為紊亂,也明顯具有雙線性特性外,鉛芯橡膠支座兩正交方向存在一定的耦合現(xiàn)象,兩正交方向力-變形滯回曲線相互影響,可見鉛芯橡膠支座雙向性能不同于單向性能。隔震層總水平力和位移滯回曲線結(jié)果表明:單向、雙向和三向地震波輸入時(shí)隔震層鉛芯橡膠支座的恢復(fù)力特性穩(wěn)定性較理想,同時(shí)隔震支座在豎向地震同時(shí)作用下,對(duì)隔震層水平方向恢復(fù)力特性的影響不顯著。同時(shí)比較各圖可發(fā)現(xiàn),中小震時(shí),鉛芯橡膠隔震支座的水平力-位移滯回曲線在單向,水平雙向和三向地震輸入時(shí)變化較小,但在大震時(shí),其單向輸入時(shí)性能明顯優(yōu)于雙向或三向輸入時(shí),也就是說在大震時(shí),鉛芯橡膠支座兩正交方向的耦合現(xiàn)象表現(xiàn)突出,在設(shè)計(jì)隔震橋梁結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)特別注意。另外,同一個(gè)地震波,由于兩個(gè)輸入方向上地震波幅值和地震動(dòng)特性的不同,可能導(dǎo)致鉛芯橡膠支座兩水平正交方向上水平力-位移滯回曲線有很大的不同。2.4種大震后拉伸特性比較圖6為ElCentro地震波和Kobe地震波在不同峰值加速度輸入時(shí)鉛芯橡膠支座豎向力反應(yīng)時(shí)程曲線。表7為不同峰值加速度地震波在單向、雙向及三向輸入時(shí)單個(gè)支座實(shí)測豎向力最大值和最小值。由此可見,隔震支座豎向力在單向、雙向及三向地震動(dòng)輸入時(shí)變化較大,一維或多維地震動(dòng)的輸入,對(duì)鉛芯橡膠支座豎向力影響很大,單向地震動(dòng)輸入時(shí)一側(cè)支座豎向力平均值變化幅度較小,雙向輸入時(shí)較大,三向輸入時(shí)最大。ElCentro地震波和Kobe地震波在峰值加速度為0.2g和0.6g左右,單向、雙向及三向輸入時(shí)支座豎向力變化幅度分別為(-25.6～19.2)%、(-43.2～44.5)%、(-63.2～60.4)%和(-47.6～60.8)%、(-65.5～67.2)%、(-93.7～96)%。地震波輸入加速度幅值大時(shí),支座豎向力在單向輸入時(shí)還承受較高的壓力狀態(tài),但在雙向或三向輸入時(shí),支座豎向力反應(yīng)增大明顯且大震時(shí)接近受拉狀態(tài)或部分已經(jīng)到達(dá)受拉狀態(tài),在Kobe波大震時(shí),隔震支座的豎向力變化很大,出現(xiàn)拉伸應(yīng)力,其拉應(yīng)力大小為0.02N/mm2。進(jìn)一步分析支座的拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變關(guān)系曲線,隔震支座在受到1.5N/mm2以內(nèi)的拉應(yīng)力時(shí),支座的恢復(fù)力特性穩(wěn)定。當(dāng)拉伸應(yīng)力繼續(xù)增大時(shí),支座很快進(jìn)入屈服段,非線性拉伸特性顯著,這種狀態(tài)的豎向拉伸變形過大,橡膠支座拉伸應(yīng)變達(dá)到50%時(shí),隔震結(jié)構(gòu)將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。單向輸入時(shí)支座豎向壓應(yīng)力增幅較小,雙向輸入時(shí)較大,三向輸入時(shí)最大。而且在地震動(dòng)以較大的峰值輸入時(shí),單向輸入支座壓應(yīng)力還不足長期壓應(yīng)力的50%時(shí),雙向或三向輸入時(shí)支座壓應(yīng)力以接近0或已經(jīng)處于拉伸應(yīng)力狀態(tài)。因此,大震狀態(tài)下,特別是地震動(dòng)豎向分量較大時(shí)應(yīng)充分考慮到其受力狀態(tài)。2.5添加不同烈度地震動(dòng)時(shí)試驗(yàn)工況情況下,在ElCentro波,Kobe波和Chi-Chi2地震波在不同峰值加速度,單向,水平雙向及三向地震動(dòng)輸入時(shí),橋墩底部外壁周向,軸向和±45°方向的絕對(duì)最大值應(yīng)變均不超過0.001。不同烈度地震動(dòng)輸入時(shí),隨地震動(dòng)烈度的增大,橋墩的絕對(duì)最大應(yīng)變值也隨之增大,在相同的地震烈度輸入時(shí),單向、雙向和三向地震動(dòng)輸入時(shí),橋墩的絕對(duì)最大應(yīng)變值變化不大,幾乎相等。圖7為ElCentro波和Kobe地震波為大震輸入時(shí),單向,水平雙向及三向輸入狀態(tài)下橋墩軸向應(yīng)變時(shí)程曲線。3平等地震波作用下橋面位移分析通過對(duì)鉛芯橡膠支座連續(xù)梁橋隔震結(jié)構(gòu)模型的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,可得出連續(xù)梁橋隔震結(jié)構(gòu)體系在多維地震作用下具有以下幾方面的特點(diǎn):1)在多向地震動(dòng)輸入時(shí),對(duì)橋梁模型結(jié)構(gòu)橋面和橋墩頂部反應(yīng)分析表明:水平單向輸入和雙向同時(shí)輸入時(shí),橋面加速度反應(yīng)相差不大,但有豎向地震輸入時(shí),加速度有明顯增加;在地震動(dòng)雙向輸入時(shí),順橋向橋面位移比單向輸入時(shí)有所增大,在有兩水平和豎向地震動(dòng)同時(shí)輸入時(shí),Kobe地震波作用下的橋面位移明顯增大,原因是Kobe地震波是脈沖型近斷層地面運(yùn)動(dòng),對(duì)豎向地震反應(yīng)敏感,而其余幾種震波作用下,橋面位移變化不太明顯。2)對(duì)支座豎向力反應(yīng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn):水平單向輸入時(shí)豎向力變化幅度最小,水平雙向輸入時(shí)較大,有豎向地震動(dòng)輸入時(shí)變化最大。因而大地震時(shí)除要對(duì)隔震支座水平剛度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)外,尚需要考慮橡膠支座豎向力承受拉力的情況,支座出現(xiàn)拉伸應(yīng)力的同時(shí),支座的壓縮應(yīng)力也顯著增加,因?yàn)橄鹉z支座中出現(xiàn)了拉力不僅對(duì)支座受拉性能產(chǎn)生影響,而且還會(huì)嚴(yán)重影響其壓剪性能。設(shè)計(jì)時(shí)要注意過小或過大的豎向壓力將造成支座出現(xiàn)拉伸應(yīng)力或是壓縮壓力偏大所引起屈曲等現(xiàn)象。3)對(duì)隔震支座水平力位移滯回曲線分析發(fā)