隔震連續(xù)梁橋地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

隔震連續(xù)梁橋地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

0模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的模擬地震動(dòng)態(tài)平臺(tái)的試驗(yàn)，可以確定橋梁對(duì)動(dòng)態(tài)地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響及其動(dòng)態(tài)地震的影響，分析模型和計(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等用低阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座進(jìn)行了隔震橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn),得出隔震系統(tǒng)的阻尼能減小橋面位移,通過延長隔震周期可以減小橋面加速度反應(yīng),以及橡膠支座在大剪應(yīng)變狀態(tài)下具有良好的穩(wěn)定性。Tsopelas等對(duì)單跨彈性墩的隔震橋梁進(jìn)行了地震模擬振動(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)橋梁隔震體系采用傳統(tǒng)支座、天然橡膠支座和滑板支座3種支座形式,進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,并且分析了隔震構(gòu)造、橡膠支座水平剛度等因素對(duì)隔震效果的影響。李加武等對(duì)有機(jī)玻璃橋梁模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析了阻尼、支撐剪切剛度對(duì)模型橋梁和橋墩減震性能的影響。目前中國的試驗(yàn)多為單跨簡支隔震梁橋,對(duì)隔震連續(xù)梁橋體系進(jìn)行的試驗(yàn)較為少見[10,11,12,13,14,15,16],試驗(yàn)所用的支座大多是疊層橡膠支座,且地震動(dòng)都是沿順橋方向輸入的,然而實(shí)際地震動(dòng)的輸入是雙向或三向的。此外,中國對(duì)隔震橋梁結(jié)構(gòu)的研究起步較晚,目前仍處于對(duì)少數(shù)隔震橋梁的工程試點(diǎn)階段,沒有相關(guān)的規(guī)范供工程設(shè)計(jì)人員參考。因而進(jìn)行系統(tǒng)、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,通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果的分析可以為隔震橋梁結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用提供有力的依據(jù)?；诖?本文中筆者對(duì)鉛芯橡膠支座隔震連續(xù)梁橋模型進(jìn)行地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究其在不同地震烈度作用下的振動(dòng)特性和隔震效果。1梁橋模型斷裂帶試驗(yàn)1.1模型相似關(guān)系及原型物質(zhì)振動(dòng)臺(tái)實(shí)際最大承載力為150kN,臺(tái)面尺寸3m×3m,考慮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)相似原理以及橋梁動(dòng)力試驗(yàn)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為梁橋模型的試驗(yàn)照片。1.2設(shè)計(jì)方鉛芯橡膠支架的性能和力學(xué)考慮到橡膠支座力學(xué)性能的穩(wěn)定性和模型結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量,試驗(yàn)用方形鉛芯橡膠支座的性能參數(shù)見表3。1.3試驗(yàn)波的形成選取試驗(yàn)用地震波時(shí),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,因此選擇了5組代表不同情況的強(qiáng)震觀測(cè)地震波,即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)8度設(shè)防烈度、8度罕遇烈度、9度罕遇烈度分別調(diào)整為0.2g、0.4g和0.6g(g為重力加速度)。為了表述方便,仍采用常用的小震、中震和大震的表述方式,表4為試驗(yàn)地震波的特性。1.4種傳感器性能測(cè)定模型梁橋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)量測(cè)的內(nèi)容可分為4大類,即加速度量測(cè)、位移量測(cè)、應(yīng)變量測(cè)和力的量測(cè)。在模擬地震作用時(shí),用三向力傳感器量測(cè)鉛芯橡膠支座2個(gè)水平方向和豎直方向的受力情況,用激光位移傳感器量測(cè)支座水平變形量,加速度傳感器和位移傳感器布置在振動(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(可以同時(shí)量測(cè)隔震支座2個(gè)正交水平方向和豎直方向受力大小)和激光位移傳感器,每個(gè)橋墩的墩底布置有4個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1加速度幅值的同相性及其特征橋梁隔震效果很重要地體現(xiàn)為橋梁上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)。表5為5種地震波在不同烈度下橋面、橋臺(tái)的歸一化加速度峰值以及其比值,由表5可見,橋梁上部結(jié)構(gòu)的加速度峰值反應(yīng)都有不同程度的降低,從而證實(shí)了隔震的有效性。圖2為地震波在不同烈度下,沿隔震梁橋結(jié)構(gòu)模型順橋方向輸入時(shí),模型梁橋結(jié)構(gòu)橋臺(tái)及對(duì)應(yīng)橋面處的加速度反應(yīng)。輸入ElCentro地震波時(shí),橋面的加速度峰值比橋臺(tái)處加速度峰值在不同烈度下有顯著降低,降幅達(dá)33.5%～42.6%,橋面和橋臺(tái)加速度反應(yīng)的增減變化趨勢(shì)呈同步同相形態(tài),而且地震烈度增大時(shí),減震效果更為明顯,這表明地震動(dòng)幅值輸入增大時(shí),鉛芯橡膠支座水平剛度減小,鉛芯塑性變形增加,能吸收較多的地震能量,從而有效地隔離地面運(yùn)動(dòng)?？梢娫谶h(yuǎn)場地區(qū)域,不論是高烈度區(qū)還是低烈度區(qū),采用隔震橋梁體系都是適宜的,都能有效減小地震加速度反應(yīng),從而有效減輕和消除橋梁在地震中的損傷或破壞。對(duì)于代表軟土場地的Chi-Chi3地震波,橋梁上部結(jié)構(gòu)的加速度幅值雖然有所降低,但降幅很小,且隨著時(shí)間的變化,加速度局部還有增大現(xiàn)象,橋面和橋臺(tái)加速度反應(yīng)的增減變化趨勢(shì)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,因此在此類場地建設(shè)橋梁時(shí)不宜采用隔震技術(shù)。表6為不同烈度下橋墩底部、頂部以及橋面處加速度峰值。由表6可見:在柔性橋墩頂部,其加速度峰值均比對(duì)應(yīng)的橋墩底部有所增大,增幅為對(duì)應(yīng)橋墩底部加速度峰值的1.06～1.27倍。在不同烈度下,橋面的加速度峰值比橋墩底部的加速度峰值有顯著降低,降幅為34.1%～64.5%。因此,在地基條件好、固有周期較短、具有一定柔性的橋墩上使用隔震技術(shù)也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。2.2烈度對(duì)橋墩和橋墩位移的影響比較不同烈度地震動(dòng)輸入時(shí)隔震梁橋結(jié)構(gòu)模型橋面和柔性橋墩頂部位移反應(yīng)幅值和時(shí)程,可反映在不同大小地震動(dòng)輸入時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)性能。圖3為不同烈度下ElCentro地震波、Kobe地震波輸入時(shí)橋面和橋墩頂部位移時(shí)程反應(yīng)曲線。從圖3可以看出:小震時(shí)橋面和橋墩位移較小,模型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好;隨地震烈度增加,橋面位移反應(yīng)顯著增加,但由于橋墩還處于彈性變形階段,橋墩頂部位移雖然有所增加,但增幅遠(yuǎn)小于橋面位移的增幅。另外,各工況試驗(yàn)后均對(duì)鉛芯橡膠支座進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)支座復(fù)位狀況良好,最大殘余變形在1mm之內(nèi)。表7為不同烈度下橋面、橋墩頂部的位移反應(yīng)峰值。由表7可以看出:采取隔震技術(shù)后,雖然橋梁加速度峰值降低很多,但是橋面位移增加也很多,橋面最大位移達(dá)29.21mm。各烈度地震作用下,橋面位移比橋墩頂位移均增加3倍以上。把橋面位移值控制在合理范圍內(nèi)也是隔震技術(shù)要考慮的一個(gè)重要問題,可以采取增加阻尼裝置等措施來減小橋梁上部結(jié)構(gòu)位移。2.3加速度對(duì)鉛芯橡膠三種保水性的影響以不同加速度峰值沿順橋向輸入ElCentro地震波、Chi-Chi1地震波時(shí),隔震層剪力與水平位移滯回曲線如圖4所示。由圖4可見:隔震層的變形隨輸入地震波加速度的增加而顯著增加,如在輸入的Chi-Chi1地震波加速度峰值為0.193g和0.6g時(shí),隔震層最大位移分別為4.01mm和26.63mm,分別相當(dāng)于橡膠層總厚度的14.4%和98.6%。由圖4還可看出:在輸入不同地震波和不同加速度峰值時(shí),鉛芯橡膠支座的恢復(fù)力特性較為穩(wěn)定,同時(shí)鉛芯橡膠支座豎向壓力變化對(duì)隔震層恢復(fù)力特性的影響不明顯。比較圖4中各曲線可發(fā)現(xiàn):小震時(shí)鉛芯橡膠支座水平剛度較大,呈彈性性質(zhì),位移較小,表明結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定;大震時(shí)鉛芯橡膠支座水平剛度較小,呈雙線性性質(zhì),向塑性變形發(fā)展,支座剪力-位移滯回曲線面積較大,可以較多地耗散地震輸入能量,阻止能量向橋梁上部結(jié)構(gòu)的傳遞。2.4變形速度對(duì)群落力的影響鉛芯橡膠支座豎向力在不同地震波、不同峰值加速度輸入時(shí)變化較大。總的來說,隨地震烈度的增大,支座豎向力變化也越大。在輸入的ElCentro地震波加速度峰值為0.565g時(shí),支座豎向力最大變化率為-57.2%～60.8%。輸入ElCentro波時(shí),單個(gè)鉛芯橡膠支座豎向力變化時(shí)程曲線如圖5所示。由圖5可見,輸入地震波的加速度幅值大時(shí),支座豎向力反應(yīng)明顯增大,在ElCentro波大震輸入時(shí),支座豎向力變化較大,支座最小壓縮應(yīng)力為1.23MPa,但仍處于全部受壓狀態(tài),未進(jìn)入拉伸應(yīng)力狀態(tài)。然而在大震輸入時(shí),鉛芯橡膠支座有可能處于受拉狀態(tài),因此,除了要對(duì)鉛芯橡膠支座水平剛度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)外,尚需要考慮支座豎向承受拉力的情況,因?yàn)橹ё谐霈F(xiàn)拉力不僅對(duì)其受拉性能產(chǎn)生影響,而且還會(huì)嚴(yán)重影響其壓剪性能。2.5elcentro地震波的試驗(yàn)工況內(nèi)橋梁墩柱破壞是橋梁結(jié)構(gòu)在地震中的主要震害表現(xiàn)之一,采用橋梁隔震技術(shù)的一個(gè)重要特性就是,通過合理延長橋梁結(jié)構(gòu)體系的周期并通過支座耗散部分地震能量,使隔震支座把橋面(是引起大部分橋墩基礎(chǔ)剪力的主要原因)從橋梁下部結(jié)構(gòu)中隔離開來,大大減小橋梁上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)及傳遞到橋墩的力,消除或是大大減小了下部結(jié)構(gòu)的非彈性變形。以不同加速度峰值輸入ElCentro地震波時(shí),橋墩底部外壁周向、軸向和±45°方向的應(yīng)變時(shí)程如圖6所示。由圖6可以看出:在試驗(yàn)工況情況下,橋墩外壁周向、軸向以及±45°方向的絕對(duì)最大應(yīng)變均不超過0.001。由此可見,輸入地震波的烈度增加時(shí),橋墩外壁軸向、周向和±45°方向的絕對(duì)最大應(yīng)變也隨之增加,而且增加的幅度相同。3等場地和軟土地段(1)鉛芯橡膠支座只要設(shè)計(jì)合理,既可保證小震時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,又能在大震時(shí)取得良好的隔震效果。(2)地面運(yùn)動(dòng)幅度和頻譜成分、場地類別、地震區(qū)烈度、斷層等因素的不同,對(duì)隔震梁橋的隔震效果有很大影響,對(duì)于中等場地和軟土場地的地震波,橋梁上部結(jié)構(gòu)的加速度幅值雖然都有所減少,但是減幅很小,隨著時(shí)間變化,加速度局部還有增大的現(xiàn)象,因此在此類場地建設(shè)橋梁時(shí)不宜采用隔震技術(shù)。但在地基條件好、固有周期較短、具有一定