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        雙重?fù)鯄K式分散抗震裝置設(shè)計及實驗研究

        2017-01-05 12:53:47王常峰周曼玲
        城市道橋與防洪 2016年12期
        關(guān)鍵詞:擋塊型鋼支座

        秦 凱,王常峰,周曼玲

        (煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

        雙重?fù)鯄K式分散抗震裝置設(shè)計及實驗研究

        秦 凱,王常峰,周曼玲

        (煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

        基于多個部件共同承擔(dān)地震作用的思路,研究提出在活動支座墩上設(shè)置雙重?fù)鯄K式分散減震裝置,使活動支座墩與固定支座墩一起承擔(dān)部分地震作用。根據(jù)耗能構(gòu)件的剛度及耗能要求,利用H型鋼的承載能力和開孔鋼板的耗能能力設(shè)計了兩種耗能構(gòu)件,并通過耗能構(gòu)件的擬靜載試驗,得到了構(gòu)件的力-位移滯回曲線。試驗結(jié)果表明,耗能構(gòu)件力-位移滯回曲線飽滿,具有較好的耗能能力和承載能力,有限元分析時耗能構(gòu)件可簡化為雙線性模型進(jìn)行分析。

        橋梁工程;雙重?fù)鯄K;靜荷載實驗;非線性時程分析

        0 引言

        地震作為當(dāng)前人類面臨的最常見、危害最嚴(yán)重的自然災(zāi)害,往往會給社會的發(fā)展帶來巨大損失。橋梁工程的破壞,會造成震后的搶險救災(zāi)工作不能及時展開,給救災(zāi)工作帶來巨大的困難,加重了次生災(zāi)害的發(fā)生[1-4]。當(dāng)今在橋梁抗震設(shè)計中,最為關(guān)鍵的問題是在滿足經(jīng)濟(jì)的原則下如何確保在可能發(fā)生的地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)依然可以安全可靠地運行[5]。

        由于工程場地是否會遭遇地震的不確定性,以及當(dāng)今對橋梁地震破壞機(jī)理的認(rèn)識尚不完備,橋梁抗震實際上還不能完全依靠定量的計算方法。但是通過對歷次大地震的震害分析表明,一些從震害經(jīng)驗中總結(jié)出來的或是經(jīng)過基本力學(xué)概念啟示得到的構(gòu)造措施被證明可以有效地減輕橋梁的震害,如主梁與主梁或主梁與墩之間適當(dāng)?shù)倪B接措施可以防止落梁[6-8]。為防止固定支座墩受力過大,我國《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/T B02-01—2008)[9]提出了由各個墩、臺共同承擔(dān)上部構(gòu)造所產(chǎn)生的地震荷載的措施。

        地震發(fā)生時多跨連續(xù)梁橋大都是通過固定支座將地震作用傳遞給固定支座墩,但是固定支座與固定支座墩的承載能力有限,且活動支座墩卻僅依靠墩頂活動支座的摩擦力承擔(dān)很少地震作用,甚至有時起到不利的作用。為解決該問題,研究提出了在活動支座墩上設(shè)置雙重?fù)鯄K式分散減震裝置的思路。本文通過模型試驗方法,設(shè)計并確定了耗能減震構(gòu)件的承載力及耗能能力,并對多跨連續(xù)梁橋的分散減震效果進(jìn)行評價。

        1 雙重?fù)鯄K式分散減震裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

        1.1 耗能構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

        雙重?fù)鯄K式分散減震裝置連接活動支座墩和梁體,只有當(dāng)梁體與橋墩的相對位移超過活動支座墩和梁體的預(yù)留間隙時,分散減震裝置才起作用。若使活動支座墩承擔(dān)一定的地震作用,必須要求分散減震裝置的承載力不能過小,同時又應(yīng)具有一定的塑性耗能能力。

        考慮到混凝土結(jié)構(gòu)的變形及耗能能力不足,且由金屬的彈塑性變形來耗損地震輸入能量被視為最有效的機(jī)制之一,故將耗能構(gòu)件設(shè)計為金屬構(gòu)件。由典型金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知,軟鋼、低屈服點鋼在發(fā)生彈塑性變形過程中可以吸收大量的能量,有較高的柔性和延展性和變形跟蹤能力,并且環(huán)境和溫度對其性能沒有明顯的影響。尤其關(guān)鍵的是鋼材造價低廉,適合大批量使用。因此,采用一定規(guī)格的鋼材來制作各種類型的鋼耗能裝置具有明顯的優(yōu)點及適用性。

        周云[10]提出了耗能減震器的設(shè)計思路,即多個元件協(xié)同工作、多種機(jī)制共同耗能、多道防線多級耗能,且耗能構(gòu)建的耗能能力與變形能力可以調(diào)節(jié)等。

        參考以上思路,在雙重?fù)鯄K式分散減震裝置的設(shè)計時,按照多道防線的設(shè)計思路進(jìn)行設(shè)計,設(shè)計成耗能構(gòu)件和強(qiáng)度構(gòu)件兩部分。其強(qiáng)度依靠分散減震構(gòu)件的整體強(qiáng)度來實現(xiàn),耗能能力利用鋼材的特性來保證。

        耗能構(gòu)件設(shè)計參考加勁耗能裝置的構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計。加勁耗能裝置是由數(shù)塊平行的鋼板和定位件組裝而成,地震作用下構(gòu)件頂部和底部會發(fā)生相對變形,當(dāng)荷載超過鋼材的彈性極限時,鋼板會產(chǎn)生彎曲屈服,利用鋼板的彈塑性滯回變形來耗散地震的輸入能量。為對比耗能構(gòu)件極限承載力和耗能能力,本文設(shè)計了如圖1和圖2所示的兩種耗能構(gòu)件。

        1.1.1 A 型構(gòu)件

        A型構(gòu)件主要構(gòu)造如圖1所示。

        圖1 A型耗能構(gòu)件構(gòu)造圖

        (1)A型耗能構(gòu)件由H型鋼和耗能減震板組成,H型鋼的腹板為一個整體,耗能減震板由焊接在H型鋼寬翼緣板上的菱形開孔板組成[11-12];實腹板的片數(shù)及菱形開孔板的片數(shù)可根據(jù)實際需要傳遞的力來確定。

        (2)頂部為了防止地震過程中發(fā)生接觸時局部破壞,在頂部加了3道加勁板,實際橋梁的分散抗震構(gòu)件的設(shè)計中可根據(jù)實際的空間進(jìn)行布置。

        (3)由于多跨連續(xù)梁橋的分散減震設(shè)計需要將梁部結(jié)構(gòu)的慣性力傳遞到活動支座墩,故分散減震裝置需具有一定的強(qiáng)度,同時為了消耗地震能量,還應(yīng)具有一定的耗能能力,設(shè)計時利用H型鋼及完整的腹板承擔(dān)傳遞梁部結(jié)構(gòu)慣性力到橋墩的作用,利用菱形減震板頂部和底部的相對變形來消耗地震能量。

        (4)耗能構(gòu)件在底部焊接鋼板,鋼板上預(yù)留螺栓孔,與墩頂上預(yù)留的螺栓連接,地震過程中耗能構(gòu)件若發(fā)生破壞,可以隨時更換,墩頂預(yù)留的螺栓與預(yù)埋的鋼板的強(qiáng)度和承載力要大于耗能構(gòu)件的承載能力。

        1.1.2 B型構(gòu)件

        B型構(gòu)件主要構(gòu)造如圖2所示。

        圖2 B型耗能構(gòu)件構(gòu)造圖

        (1)B型耗能構(gòu)件由H型鋼和耗能減震板組成,H型鋼的腹板為一個整體,耗能減震板有焊接在H型鋼寬翼緣板上的X形板組成;實腹板的片數(shù)及X形板的片數(shù)可根據(jù)實際需要傳遞的力來確定。

        (2)頂部為了防止地震過程中發(fā)生接觸時局部破壞,在頂部加了3道加勁板,實際橋梁的分散抗震構(gòu)件的設(shè)計中可根據(jù)實際的空間進(jìn)行布置。

        (3)由于多跨連續(xù)梁橋的分散減震設(shè)計需要將梁部結(jié)構(gòu)的慣性力傳遞到活動支座墩,故分散減震裝置需具有一定的強(qiáng)度,同時為了消耗地震能量,還應(yīng)具有一定的耗能能力,設(shè)計時利用H型鋼及完整的腹板承擔(dān)傳遞梁部結(jié)構(gòu)慣性力到橋墩的作用,利用菱形減震板頂部和底部的滯回變形來消耗地震能量[13-14]。

        (4)耗能構(gòu)件在底部焊接鋼板,鋼板上預(yù)留螺栓孔,與墩頂上預(yù)留的螺栓連接,地震過程中耗能構(gòu)件若發(fā)生破壞,可以隨時更換,墩頂預(yù)留的螺栓與預(yù)埋的鋼板的強(qiáng)度和承載力要大于耗能構(gòu)件的承載能力。

        1.2 剛度構(gòu)件結(jié)構(gòu)

        多跨連續(xù)梁橋雙重?fù)鯄K式抗震構(gòu)造裝置中,剛度構(gòu)件是為了防止因墩梁相對位移過大而造成落梁,作為雙重?fù)鯄K式分散減震裝置的第二道防線,為一構(gòu)造措施,所以其強(qiáng)度應(yīng)盡可能大,材料可選擇鋼筋混凝土或者純鋼構(gòu)件。

        為降低剛度構(gòu)件與梁體發(fā)生接觸碰撞時的沖擊力,需在剛度構(gòu)件與梁體接觸的接觸面設(shè)置一層彈性材料,降低剛度構(gòu)件和梁的碰撞剛度。

        2 試驗概況

        試驗所采用的加載設(shè)備是由計算機(jī)控制的電液伺服式。本次采用的電液伺服式的設(shè)備規(guī)格為最大加載300 kN,最大行程±200 mm。整個試驗系統(tǒng)又可分為3個組成部分:橫向加載系統(tǒng)、試驗構(gòu)件、數(shù)據(jù)測試及采集系統(tǒng)(見圖3a)。

        圖3 試驗裝置布置圖

        根據(jù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的差異,將實驗分為A、B兩大系列6個加載單元,分別記為A1、A2、A3、B1、B2、B3。室內(nèi)試驗裝置的總體布置圖如圖3b所示。在非線性地震反應(yīng)分析中,通常會需要通過試驗的方式來建立簡化的恢復(fù)力模型。試驗研究的目的決定了加載制度的選擇,本次試驗選擇了可給出比較明確的力和位移的關(guān)系的變幅變位移的加載制度,并且本次試驗采用的是力-位移混合控制加載,即加載初期(鋼材彈性階段)以水平力為控制標(biāo)準(zhǔn),鋼構(gòu)件屈服后以位移為增量進(jìn)行加載。通過有限元分析得知,加載控制位移增量為3 mm,每次加載需要反復(fù)3次。

        2.1 試驗結(jié)果匯總

        2.1.1 耗能構(gòu)件的破壞機(jī)理

        兩種構(gòu)件的典型的破壞圖如圖4所示。

        圖4 耗能構(gòu)件典型破壞圖

        由試驗情況可知:

        (1)A類構(gòu)件經(jīng)過多次反復(fù)加載后,隨著加載位移的增加,H型鋼的翼緣板受壓出現(xiàn)局部的屈曲,菱形耗能板處出現(xiàn)面外的局部扭曲。

        (2)B類構(gòu)件經(jīng)過多次反復(fù)加載后,隨著加載位移的增加,H型鋼的翼緣板出現(xiàn)受壓局部屈服,X形耗能板未出現(xiàn)明顯的破壞。

        (3)耗能構(gòu)件均以受壓測得翼緣板局部屈曲發(fā)生破壞,在后續(xù)的耗能構(gòu)件的研究中,可以針對翼緣板的屈曲進(jìn)行加固,防止發(fā)生局部屈曲,在承載力不增大的基礎(chǔ)上,能夠增大構(gòu)件的整體耗能能力。

        2.1.2 構(gòu)件滯回曲線試驗結(jié)果

        構(gòu)件頂部力-位移滯回曲線圖如圖5所示。

        A類構(gòu)件加載破壞現(xiàn)象為:構(gòu)件屈服后,隨著加載位移的增加,鋼板菱形銳角口處開始發(fā)生面外扭曲,位移增大到一定程度后,全截面進(jìn)入屈服狀態(tài)。可以看出,A類構(gòu)件的滯回曲線較為飽滿,卸載曲線與加載曲線平行,滯回環(huán)較為飽滿,在作為擋塊時的耗能能力較強(qiáng)。

        B類構(gòu)件加載破壞現(xiàn)象為:構(gòu)件屈服后,隨著加載位移的增加,翼緣板處開始發(fā)生受壓屈曲,位移增大到一定程度后,底部焊縫由于焊接質(zhì)量不牢固發(fā)生焊縫開裂。雖然焊縫發(fā)生開裂導(dǎo)致最終的破壞,但從之前的試驗曲線可以看出,B類構(gòu)件的滯回曲線較A類構(gòu)件飽滿,卸載曲線與加載曲線基本保持平行,滯回環(huán)較為飽滿,作為擋塊時的耗能能力較強(qiáng)。

        圖5 構(gòu)件頂部力-位移滯回曲線

        由圖5對比可以發(fā)現(xiàn),A類構(gòu)件的承載力較B類構(gòu)件高,B類構(gòu)件的耗能和變形能力稍強(qiáng)。焊接質(zhì)量可靠的耗能裝置,在屈服后可維持多次反復(fù)循環(huán)而無任何剛度和強(qiáng)度退化,并且裝置破壞前能夠產(chǎn)生較大的塑性變形。試驗表明,該耗能構(gòu)件可有效地吸收地震時傳遞來的能量。

        3 結(jié)語

        結(jié)構(gòu)抗震試驗的目的,歸根結(jié)底是對結(jié)構(gòu)抗震性能和抗震能力的評定。本次抗震試驗中,結(jié)構(gòu)所受的是周期性靜力荷載,雖然這與地震動作用下原型結(jié)構(gòu)所受的非周期性的地震作用存在差異,不代表任何一次地震作用,甚至相差甚遠(yuǎn)。但是采用周期性加載試驗可以更多地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的滯回能力和在多次循環(huán)下抗低周疲勞的能力,試驗結(jié)果可以給出一種偏于保守的宏觀評定結(jié)果。

        試驗結(jié)果表明,設(shè)計的雙重?fù)鯄K式分散減震裝置中耗能構(gòu)件的力-位移滯回曲線飽滿,具有較好的耗能能力和承載能力,通過與剛度構(gòu)件的防落梁功能的有效結(jié)合,可實現(xiàn)對上部結(jié)構(gòu)傳遞的地震作用大小的控制與消耗,有效地降低了地震作用對橋梁整體結(jié)構(gòu)的危害,為以后的抗震構(gòu)造設(shè)計提供一定的參考。

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        U442.5+5

        B

        1009-7716(2016)12-0067-04

        10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.020

        2016-09-30

        國家自然科學(xué)基金(51108220)

        秦凱(1989-),男,山東鄒城人,碩士研究生,煙臺大學(xué)學(xué)生。

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