郭月哲

(山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006)

0 引言

鋼管混凝土拱橋自20世紀(jì)90年代引入我國(guó)。其以結(jié)構(gòu)受力合理、跨越能力強(qiáng)、外型輕盈等特點(diǎn)正逐漸成為大中跨橋梁設(shè)計(jì)中有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型。鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)形式多樣、拱肋樣式富于變化，因此其動(dòng)力特性具有自身特點(diǎn);目前對(duì)鋼管混凝土拱橋還沒(méi)有建立起有針對(duì)性的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，且該橋型尚未經(jīng)歷大震的考驗(yàn)，對(duì)其抗震性能的掌握大多通過(guò)數(shù)值模擬分析。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是了解結(jié)構(gòu)抗震性能的有效手段，介于以上可見(jiàn)有必要通過(guò)試驗(yàn)研究掌握鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力特性及抗震性能。

本文以某下承式鋼管混凝土拱橋?yàn)樵?，通過(guò)剛度轉(zhuǎn)換制作了單一材料的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shí)施了以研究其抗震性能的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)［1］。通過(guò)整理分析，掌握了該橋型受不同地震波、在不同烈度等級(jí)作用下地震響應(yīng)的特點(diǎn)及規(guī)律，得出了一些有益的結(jié)論。

1 模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原型及振動(dòng)臺(tái)簡(jiǎn)介

本次試驗(yàn)原型為某下承式鋼管混凝土系桿拱橋。該橋主跨跨徑99 m，矢跨比1/5，拱肋線形為二次拋物線。拱肋為啞鈴形截面，采用雙肢φ800 mm鋼管加中部間距500 mm的鋼板一對(duì)構(gòu)成，管壁鋼板12 mm厚，內(nèi)填C40混凝土。拱腳處拱肋下部加勁為矩形斷面。肋間設(shè)一字撐四道，截面為φ600 mm空心鋼管。拱腳間用鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力系桿，以承擔(dān)恒載作用下的拱腳水平推力。每肋下的系桿為12根，每根為9束φ15.2 mm(7φj5)的鋼絞線。吊桿為110φ5高強(qiáng)低松弛鋼絲。吊桿橫梁為鋼筋混凝土工字梁。吊桿間距6 m。為加強(qiáng)橋面系的整體性，在系桿處設(shè)加勁縱梁。橋面板為預(yù)制鋼筋混凝土板，濕接縫聯(lián)結(jié)。橋面鋪裝為10 cm厚的C30防水鋼筋混凝土。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在單向電液伺服振動(dòng)臺(tái)上完成。該振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為2 m×2.2 m，最大載荷4.5 t，最大加速度1.0g，最大速度100 cm/s，可輸入規(guī)則波和不規(guī)則波，有效頻率范圍為 0.5 Hz～20 Hz。

1.2 模型設(shè)計(jì)

為了更詳實(shí)反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及地震響應(yīng)特點(diǎn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀蜗嗨票壤?/30?？紤]到在試驗(yàn)室該相似比例下試驗(yàn)?zāi)Ｐ图庸さ碾y易程度及研究掌握結(jié)構(gòu)整體抗震性能的試驗(yàn)?zāi)康牡仍?，本試?yàn)按照截面換算法，通過(guò)剛度相似關(guān)系，將原型拱肋鋼管混凝土截面轉(zhuǎn)化為純鋼截面再予以縮尺。截面剛度轉(zhuǎn)換公式為:

其中，Ea，Eg，E分別為鋼管混凝土中混凝土、鋼管的彈性模量與換算截面的材料彈性模量;Aa，Ag，A分別為鋼管混凝土中混凝土、鋼管的截面面積與換算截面的截面面積;Ia，Ig，I分別為鋼管混凝土中混凝土截面、鋼管截面在組合截面中的截面慣性矩與換算截面的組合截面慣性矩;γa，γg，γ分別為鋼管混凝土中混凝土、鋼管的剪切模量與換算截面的材料剪切模量。

以式(1)，式(2)為主要計(jì)算依據(jù);式(3)為參考。

縮尺后純鋼試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂鐝?.3m，矢高0.66m，拱肋仍保持二次拋物線線形。其中構(gòu)件截面具體尺寸如圖1所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮跈C(jī)械構(gòu)件加工廠完成，細(xì)部尺寸誤差控制在5 mm以內(nèi)。

圖1 模型各細(xì)部截面尺寸

由于振動(dòng)臺(tái)最大荷載限制，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)際配重4 t，處于配重不足狀態(tài)。根據(jù)相似理論及橋梁動(dòng)力試驗(yàn)相關(guān)理論，欠配重模型試驗(yàn)各相似關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 模型相似關(guān)系

1.3 模型的安裝

拱橋模型安裝示意圖見(jiàn)圖2a)。試驗(yàn)制作輔助支座一對(duì)，模型一端通過(guò)固定支座與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面螺栓剛性連接;另一端架設(shè)于滑動(dòng)支座上，放于臺(tái)面外。試驗(yàn)用滑動(dòng)支座見(jiàn)圖2b)。

圖2 模型安裝

1.4 加載方案與測(cè)點(diǎn)布置

1)模型加載。試驗(yàn)?zāi)Ｐ团渲乜傆?jì)4 t，為了貼近原型實(shí)際工況，按照原型上部構(gòu)件(拱肋和橫撐)質(zhì)量與下部構(gòu)件(橫梁、縱梁等)質(zhì)量的比值進(jìn)行分配。其中試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜颗渲?.5 t，下部配重1.5 t。分部位配重情況見(jiàn)圖3。

圖3 模型加載步驟

2)輸入地震波選取。試驗(yàn)中為了掌握釋放能量方式不同的地震波作用下可能的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的區(qū)別，輸入地震波選取了釋放能量集中的EICentro波或較均勻的Taft波作為輸入波形。經(jīng)過(guò)相似關(guān)系處理后，試驗(yàn)加速度控制在6度基本60 gal，7度基本120 gal，8度基本240 gal。其中EICentro波持時(shí)5 s;Taft波持時(shí)9 s。圍繞基本烈度，同時(shí)試驗(yàn)加載工況中在區(qū)分烈度等級(jí)上還做了多遇、基本、罕遇、重要結(jié)構(gòu)罕遇等工況。

3)傳感器測(cè)點(diǎn)布置。本次拱橋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)量測(cè)內(nèi)容包括:加速度監(jiān)測(cè)、位移量測(cè)和應(yīng)變量測(cè)。其中加速度監(jiān)測(cè)通過(guò)在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面及滑動(dòng)支座端設(shè)置加速度計(jì)，監(jiān)測(cè)輸入地震波波形及峰值大小，圖4為試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的8度基本工況下的EICentro波和Taft波，波形完整。

圖4 試驗(yàn)輸入波形

位移量測(cè)是通過(guò)在試驗(yàn)?zāi)Ｐ透黠@著截面布設(shè)縱向和屬相位移計(jì)，量測(cè)臺(tái)面和拱肋各顯著截面的位移變形時(shí)程，見(jiàn)圖5。

為了掌握模擬地震波輸入過(guò)程中拱肋內(nèi)力的變化規(guī)律，分別在拱腳、拱肋1/4跨和拱頂?shù)裙袄呓孛鎮(zhèn)让嫜剌S向粘貼應(yīng)變片，量測(cè)拱肋軸向應(yīng)變。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了錘擊試驗(yàn)，測(cè)定模型拱肋面外及縱橋向自振頻率，見(jiàn)表2。表2中附加了有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)前兩階振型:拱肋面外側(cè)彎及拱肋和橋面板對(duì)稱豎彎對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示結(jié)構(gòu)側(cè)向自振頻率明顯小于縱向振動(dòng)頻率，符合通常對(duì)下承式鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)輕盈，側(cè)向剛度小的直觀判斷。

表2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率對(duì)比 Hz

2.2 拱肋應(yīng)變響應(yīng)分析

構(gòu)件表面準(zhǔn)確應(yīng)變的變化能夠很好描述其表面應(yīng)力的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)中試通過(guò)量測(cè)拱肋表面軸向應(yīng)變來(lái)掌握和分析拱肋應(yīng)力的變化規(guī)律。如表3所示EI波和Taft波作用下，6度，7度，8度基本烈度工況下拱肋各顯著截面的應(yīng)變最值。同一地震烈度下，拱腳到拱頂?shù)膽?yīng)變最值呈遞減關(guān)系，約為拱頂應(yīng)變的6倍～8倍。反映出拱頂應(yīng)力較小，拱腳軸向應(yīng)力起設(shè)計(jì)控制作用。

如圖6所示EI波8度烈度下拱肋拱腳、1/4跨、拱頂應(yīng)變時(shí)程曲線。拱肋內(nèi)力顯著截面的應(yīng)變時(shí)程曲線波形接近地震波輸入波形。

圖6 EICentro波8度烈度應(yīng)變時(shí)程曲線

與拱肋位移響應(yīng)規(guī)律相反，同一烈度同一顯著截面中能量集中釋放的EI波作用下拱肋軸向應(yīng)變峰值大于能量分散釋放的Taft波作用下的峰值。

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)分析模型在EI波和Taft波不同烈度作用下結(jié)構(gòu)各顯著截面的應(yīng)變響應(yīng)，顯示同一波形作用，不同烈度工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)提高顯著，增幅接近烈度提高比例;同一烈度下拱頂處應(yīng)變時(shí)程曲線整體表現(xiàn)為拉應(yīng)變，約為拱腳應(yīng)變的1/8。符合拱頂主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力的受力特征。

表3 試驗(yàn)各工況應(yīng)變最值

2)同一波形作用下，拱腳、1/4跨處應(yīng)變時(shí)程曲線線形與地震波波形一致。

［1］樊 珂，李振寶，閆維明.拱橋多點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)與理論分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007(12):19-24.

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