袁萬城　李　涵　田圣澤　黨新志

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上?！?00092)

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橋梁拉索減震支座研發(fā)及應用

袁萬城李涵田圣澤*黨新志

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海200092)

摘要從目前橋梁減隔震設計面臨的“結構地震力與梁體位移”矛盾的平衡問題出發(fā),介紹了新型減隔震支座——拉索減震支座的功能原理、發(fā)展、試驗研究與實橋應用。理論研究與實橋試驗均表明拉索減震支座具有很好的減震效果,且能有效控制墩梁間的位移。

關鍵詞拉索減震支座, 墩梁相對位移, 擬靜力試驗, 振動臺試驗

Development and Application of the Bridge Cable-slidingFriction Aseismic Bearing

YUAN WanchengLI HanTIAN Shengze*DANG Xinzhi

(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

AbstractTo solve the problem of balance on the contradiction between structural seismic forces and girder displacements in bridge isolation design, a new isolation bearing, the Cable-sliding Friction Aseismic Bearing, is developed and its function principle, experimental research and practical application are summarized. Conclusions can be drawn from theoretical research and a bridge model experiment that the Cable-sliding Friction Aseismic Bearing has excellent seismic mitigation effects and it can effectively control the displacements between the girder and the pier.

Keywordscable-sliding friction aseismic bearing, displacement between girder and pier, quasi-static test, shaking table test

1引言

近年來,減隔震設計一直是抗震研究的熱點問題之一,不同于延性設計,減隔震設計通過延長結構振動周期并輔以一定的結構耗能,達到降低橋梁結構地震動響應以增強結構的抗震能力[1]。具體地,橋梁減隔震技術通常是通過在梁體與墩臺間放置減隔震支座,降低結構剛度,“削弱”地震動自下向上的傳播,或同時具備一定的耗能作用,達到減隔震的目的。

減隔震支座的水平向剛度影響著結構受力,一般說來,支座水平剛度越大,結構振動周期越小,結構力動響應越大,支座位移越小;支座水平剛度越小,結構振動周期越長,結構力響應越小,支座位移響應越大。對于一般地震波,尤其是近場地震波,結構所受地震力與結構位移(這里一般指的是墩梁相對位移)呈現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象,不易調和。這就是橋梁結構地震響應中所謂“力與位移”的矛盾問題。

為了平衡“力與位移”的矛盾問題,減隔震支座通常通過調整支座參數如改變橡膠支座的厚度、改變鉛芯橡膠支座的鉛芯剛度[2]、改變球鋼支座的摩擦系數[3]、改變摩擦擺支座的曲面半徑或摩擦因數[4]獲得更小或更大的支座水平剛度。剛度選擇的實質就是對位移的妥協(xié)。疊層橡膠支座在水平荷載作用下穩(wěn)定性較差,僅適用于中小跨徑橋梁;鉛芯橡膠支座耗能能力強,但支座動力剪切性能受豎向荷載變化大,不能實現(xiàn)對多頻特征的地震波進行有效的減震、隔震,且隨著鉛芯的增加,支座自恢復能力逐漸減弱[1];摩擦擺支座復位能力強、摩擦耗能性能穩(wěn)定[5],但在地震力作用下,球面摩擦副沿曲面的滑動將導致梁端產生豎向位移,在超靜定結構中會產生次內力,不利于上部結構的穩(wěn)定。

為合理規(guī)避位移過大的風險,本文介紹一種通過拉索松緊粗細能夠調和“力與位移”平衡問題、具有限位功能與自適應性、技術日益成熟,并已經在橋梁減隔震領域逐漸興起的減隔震支座——拉索減震支座。

2拉索減震支座功能原理簡介

拉索減震支座(圖1)是在普通盆式支座或球鋼支座的基礎上,結合了柔性較好的鋼絲繩,從而實現(xiàn)在橋梁結構遭遇地震時,固定支座抗剪銷釘剪斷,結構體系變?yōu)闇p隔震體系,通過支座滑動保護下部結構,并通過拉索裝置限制墩梁位移。拉索支座避免了在墩身、主梁底部設計限位纜索的連接錨固,不僅限制了墩梁間的相對位移,同時也提供了支座的恢復力。圖2給出了拉索減震支座的恢復力模型。

圖1　拉索減震支座示意圖Fig.1　Diagram of the cable-slidingfriction aseismic bearing

圖2　拉索減震支座恢復力模型Fig.2　Restoring force model of cable-slidingfriction aseismic bearings

圖中可以看出,相較于普通摩擦支座,拉索減震支座具備第三個線性段,這個階段支座通過拉索的拉伸提供了支座的恢復力。通過調整拉索的長短粗細,可以控制u0和K2的值,從而實現(xiàn)對上述“力與位移”的控制。針對不同橋梁,拉索減震支座這些參數的合理選取影響橋梁整體的抗震效果[6-7],這也表明拉索減震支座具備針對不同橋梁能夠具備自適應性。

拉索支座的制作非常簡單,用于限制位移的拉索也可以進行單獨地拆卸,非常便于震后的復位或更換。同時,價格低廉的鋼絲繩使得該支座更換的成本非常低。

3拉索減震支座裝置的發(fā)展

3.1　裝置功能的改進

3.1.1拉索的改進

拉索部分在拉索減震支座中占據著舉足輕重的地位,其最終在支座中發(fā)揮的性能直接影響到結構的抗震性能。前期試驗中拉索材料使用的是鋼絞線,鋼絞線的優(yōu)點是強度高和松弛性能好,但是在加工過程中不易彎折,給支座組裝帶來不便,且在往復加載時出現(xiàn)部分拉索斷絲現(xiàn)象。而鋼絲繩具有柔軟、抗沖擊韌性好、不易驟然整根折斷的特點,同時,鋼絲繩的強度和彈性模量等與鋼絞線相差不大,可以滿足支座在力學方面的要求。

3.1.2易更換功能

在經歷強震后,拉索減震支座中的拉索可能會出現(xiàn)一定的損傷,對于抵御之后的地震能力就會下降,因此需要更換出現(xiàn)損傷的拉索[7]。初期的拉索支座不具備易更換拉索的功能,但隨后,通過對拉索部分進行重新的設計,即在拉索端頭固定件處設置鋼彈簧墊圈,鋼彈簧墊圈可以起到緩沖的作用,并且可以自由調節(jié)鋼彈簧墊圈的長度。拉索裝置的設置更加靈活,方便檢查和更換。 易更換拉索減震支座構建圖見圖3。

3.2　拉索減震支座試驗驗證

3.2.1足尺擬靜力試驗

為獲取拉索減震支座的本構,作者對其做了足尺支座擬靜力試驗(圖4)。圖5展示了拉索減震支座的荷載-位移滯回曲線。

圖3　易更換拉索減震支座構造圖Fig.3　Replaceable cable-sliding friction aseismic bearing

圖5類比了試驗結果與有限元模擬的結果,結果顯示有限元模擬分析能夠很好地符合試驗結果,拉索支座的恢復力-變形圖(圖5)反映出拉索支座本構呈現(xiàn)出三段線性的本構特征,支座變形小于拉索自由行程時,拉索不起作用,支座呈現(xiàn)普

通球鋼摩擦型支座的本構特征,這一階段它具備一定的摩擦耗能能力；當支座變形超過一定限值時,拉索的彈性回復力有效控制了支座的進一步變形。值得注意的是拉索剛度的選取直接關系到橋墩所受剪力的大小,過大的拉索索力值導致橋墩受到一定的破壞,故應當合理確定其取值。對于車輛荷載及風荷載等外力作用,正常使用狀況下拉索支座與普通支座無異。

3.2.2實橋振動臺試驗

圖4　拉索減震支座足尺擬靜力試驗Fig.4　Full scale quasi-static test of the cable-sliding friction bearing

為進一步驗證拉索減震支座的減震效果,利用同濟大學多功能振動臺對某矮塔斜拉橋進行了振動臺試驗分析(圖6)。

圖5　拉索減震支座足尺擬靜力試驗結果Fig.5　Test result of full scale quasi-static test of cable-sliding friction aseismic bearing

本次實驗臺面加載選取了一條人工合成地震波(南昌波)與一條實測地震波(El Centro波),在拉索支座體系下,加載各地震波由PGA 0.1 g開始加載,每次加載完成后檢查結構殘余位移,并將結構復位,將地震動PGA翻倍后繼續(xù)加載,直至PGA達到0.8 g。圖7、圖8給出了南昌波0.4 g工況下拉索支座減震體系與無拉索體系(純摩擦體系)的主梁加速度與15#支座變形對比,可以發(fā)現(xiàn),在加載至4 s的時候,梁體加速度突增,這一激增的加速度由拉索支座的索力產生,同時支座的變形得到了一定的控制。

圖6　矮塔斜拉橋振動臺試驗Fig.6　Shaking table test of the extradosed cable-stayed bridge

圖7　有無拉索支座下梁體加速度對比Fig.7　Comparison of girder accelerationswith/without the CSFAB

圖8　有無拉索支座下15#墩梁間相對位移對比Fig.8　Comparison of deformation of 15#bearing with or without the CSFAB

4應用案例介紹

拉索減震支座出色的綜合性能使其在工程結構中受到越來越多的關注,杭州九堡大橋、南昌朝陽大橋、泉州晉江高架橋等經過抗震設計,最終采用了拉索減震支座設計方案。表1介紹了幾個主要應用案例。

5結論

本文從橋梁減隔震設計中要解決的地震力與梁體位移的矛盾問題出發(fā),介紹了減隔震支座的減震原理。從現(xiàn)有減隔震支座存在的問題出發(fā),引出具備減震能力并能有效限制梁體位移的拉索減震支座并介紹其研發(fā)過程與發(fā)展,包括足尺擬靜力試驗與實橋模型振動臺試驗。得出以下結論:

(1) 拉索減震支座中拉索采用柔性鋼絲繩,易于通過變更支座滑動自由行程權衡墩底所受地震力和墩梁相對位移的矛盾問題,且震后易更換。

(2) 拉索減震支座具備典型減隔震支座非線性的本構特征,能夠有效降低結構所受的地震力。

表1拉索減震支座的部分應用案例

Table 1　Cable-sliding friction bearing application cases

(3) 應用拉索減震支座的實橋模型在地震動激勵下,梁體的位移得到了有效的限值,規(guī)避了支座破壞甚至落梁的風險。

拉索減震支座憑借其良好的抗震性能,越來越多地被更多地橋梁采用。

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基金項目：土木工程防災國家重點實驗室基金資助項目(SLDRCE14-B-14), 國家自然科學基金資助項目(51478339, 51278376,91315301),江西省科技計劃項目(20151BBG70064)

收稿日期：2015-08-05

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