孫廣俊， 王 森， 李鴻晶

(南京工業(yè)大學土木工程學院 南京，211816)

1 問題的引出

國內外破壞性地震的震害表明，橋梁具有非常大的脆弱性，在地震中極易破壞或失效。在橋梁可能發(fā)生的諸多失效破壞中，最為常見和嚴重的是上部結構的落梁[1-3]。一方面，落梁會導致交通中斷，嚴重影響抗震救災行動，且震后修復難度很大；另一方面，落梁時梁端很可能會撞擊橋墩，導致橋梁的整體倒塌，從而造成更大的震害。目前實現落梁控制的技術途徑主要有3種：構造措施、減隔震被動控制和防落梁控制系統(tǒng)。構造措施主要采取基于震害經驗的定性設計，在地震中很難真正起到防落梁效果。減隔震技術具有一定的局限性，不能完全有針對性地解決落梁控制的問題。而科學合理的專門性防落梁裝置是減輕橋梁地震落梁災害的最有效途徑。

圖1 典型防落梁裝置Fig.1 Typical unseating prevention devices

防落梁裝置在美國、日本、臺灣等多地震國家和地區(qū)的橋梁中得到了較廣泛的應用，部分典型裝置如圖1所示。美國和日本率先對防落梁裝置開展了一系列的研究，包括對震后防落梁裝置效用的實地考察、各種裝置的試驗研究、參數分析、已有設計方法的評估及新設計方法的探索等[4-11]。相比較而言，國內有關落梁控制的系統(tǒng)性研究還為數不多，相關的裝置研發(fā)和實用化還處于起步階段[5]。歐維姆公司[12]在參考國外體系的基礎上，提出了一種新型的鋼絞線拉索式防落梁裝置，在國內較早研發(fā)了產品系列，并在我國四川、山西、臺灣等地區(qū)的工程中進行了應用。

筆者建立了一種地震落梁兩級控制裝置，分別通過耗能限位和主梁連續(xù)化的模式控制落梁的發(fā)生；開展了兩級控制裝置的力學試驗和有限元數值模擬，測試和驗證控制系統(tǒng)在不同控制級別下的工作機理和力學性能。

2 地震落梁兩級控制原理

2.1 設計理念

按照連接模式，防落梁裝置可以分為梁-梁連接模式和墩-梁連接模式兩類[13]。梁-梁連接模式可以實現上部結構的連續(xù)化，防止梁體墜落，但基本上沒有改變上部結構與下部結構的相互作用行為，上部結構可能產生比較大的位移而不能得到有效的控制，如圖2(a)所示。墩-梁連接模式雖然可以有效地控制上部結構的位移，但有可能導致或加重下部結構的破壞，如圖2(b)所示。此外，單一的梁-梁連接模式或墩-梁連接模式均屬于單水準控制，不能有效地控制結構在地震下的破壞程度。

圖2 兩類防落梁連接模式Fig.2 Two kinds of unseating prevention connection mode

為了減少橋梁在第1級設防水準地震下墩梁間的相對位移，有效防止落梁。同時，又要避免在第2級設防水準地震下由于限位作用使橋墩產生過大的附加力，從而保證橋墩的安全。基于耗能減震、多級設防及結構分災的抗震設防思想，構建了一種具有耗能限位功能和上部體系連續(xù)化功能，并能在不同水準地震下自動實現兩級功能轉換的新型落梁失效控制系統(tǒng)[14]，如圖3所示。

圖3 地震落梁兩級控制原理Fig.3 Principle of two-level seismic unseating control

2.2 控制目標

該系統(tǒng)可實現兩級控制目標：a.第1級控制以墩-梁連接方式實現，即主梁與橋墩之間采用耗能連接，當遭遇小震和中震時系統(tǒng)以第1級控制模式發(fā)揮作用;b.第2級控制以梁-梁連接方式實現，即上部主梁之間采用連梁緩沖連接，并預留合適的松弛長度，以確保在第1級控制階段梁-梁連接不發(fā)揮作用，僅當遭遇大震時以第2級控制模式工作。此外，第1級控制與橋墩之間采用“結構保險絲”連接，考慮有效的斷開強度，以確保在達到轉換強度閥值時釋放對橋墩的附加地震力，減輕橋墩的地震損傷。

3 地震落梁兩級控制裝置設計

基于上述原理，設計了一種地震落梁兩級控制裝置[15]，兩級裝置包括限位構造(實現耗能限位功能)和鋼絞線拉索構造(實現上部體系連續(xù)化功能),如圖4，5所示。

限位構造通過軟鋼阻尼器發(fā)揮耗能限位作用，允許橋梁上、下部結構發(fā)生一定的相對位移量。軟鋼阻尼器下端固定在橋墩上，上端通過角鋼和抗剪螺栓與連梁裝置連接為整體，當達到預設閾值時抗剪螺栓斷開， 裝置進入第2級工作狀態(tài)。為了保證地震作用下抗剪螺栓能夠順利剪斷，兩級控制裝置在耗能限位后進入下一級工作狀態(tài)，要求螺栓的剪斷力應處于軟鋼阻尼器屈服力P1和極限力P2之間。對于不同型號、不同材料和不同數量的軟鋼阻尼器應計算配合相應的螺栓，以滿足設計要求。

1-錨具;2-彈簧止擋板;3-緩沖彈簧;4-彈簧墊板；5,8-高阻尼橡膠墊；6-連梁固定裝置；7-鋼絞線；9-錨具；10-抗剪螺栓；11-角鋼；12-軟鋼阻尼器；13,14-限位固定裝置圖4 裝置設計圖Fig.4 Design diagram of device

鋼絞線拉索一端為可移動錨固，另一端為固定錨固。可移動錨固端包括錨具、彈簧止擋板、緩沖彈簧、彈簧墊板及高阻尼橡膠墊。固定錨固端包括高阻尼橡膠墊和錨具，兩側的連梁固定裝置分別安裝在相鄰的主梁上，并通過鋼絞線拉索聯系在一起。鋼絞線的規(guī)格和數量根據上部梁體的重量確定。錨具采用具有足夠強度的鋼制錐形錨具，彈簧為圓錐型，在鋼絞線完全工作時能夠被很好的壓并，高阻尼橡膠用以緩和地震時強大的沖擊力。

兩級控制裝置工作機理如圖6所示。在正常狀態(tài)下，控制系統(tǒng)不工作(圖6(a))。當遭遇中等強烈地震時，系統(tǒng)處于第1級工作狀態(tài)，限位構造中的軟鋼阻尼器發(fā)揮耗能能力，控制墩梁間的相對位移，形成防落梁系統(tǒng)的首道防線，此時第2級控制不發(fā)揮作用，如圖6(b)所示。當遭遇特別強烈地震時，兩級控制連接的抗剪螺栓斷開，限位構造退出工作，不再發(fā)揮任何作用，鋼絞線拉索拉結主梁，同時錨固端彈簧提供足夠的緩沖力，控制主梁間的相對位移，形成防落梁系統(tǒng)的第二道防線，如圖6(c)所示。

圖5 實際裝置構造Fig.5 Practical device construction

圖6 裝置工作機理Fig.6 Working mechanism of device

4 兩級控制裝置性能試驗

為了明確各控制狀態(tài)和轉換過程的性能，檢驗控制系統(tǒng)的可靠性及有效性，將試驗分為3個工況：a.采用擬靜力試驗測試第1階段控制性能;b.采用靜力拉伸試驗測試第2階段控制性能;c.采用剪切試驗測試控制級別轉換性能。

4.1 第1級控制裝置低周往復試驗

耗能限位裝置的作用是限制墩梁間的相對位移，主要承受水平地震作用，因此采用低周往復擬靜力試驗對其性能進行測試，試驗方案如圖7所示。

圖7 第1級控制裝置低周往復試驗Fig.7 Low cyclic loading experiment of the first level control device

如圖7所示，在第1級控制裝置上部固定構件底部支撐2臺100 t液壓千斤頂，消除其自重影響，并使之保持水平。采用50 t作動器進行水平向加載，作動器一端固定在反力墻上，另一端通過螺栓對口與裝置一側連接緊固，作用在離地面680 mm的固定構件中心位置。軟鋼阻尼器下端與下部固定裝置(地梁)的連接不發(fā)生轉動。采用單向荷載試驗所確定的屈服位移作為控制位移，先采用控制位移的25%,50%和75%依次進行一次循環(huán)，再采用控制位移的100%,200%,300%,400%,500%,600%和700%依次進行3個循環(huán)，加載制度如圖8所示。

圖8 加載制度Fig.8 Loading system

圖9 第1級控制裝置試驗結果Fig.9 Experimental results of the first level control device

試驗中，軟鋼阻尼器在水平面內上發(fā)生了一定的扭轉現象，如圖9(a)所示，這與實際工作中橋梁每一側的第1級控制裝置存在偏心作用相一致。對于直梁橋而言，地震作用對第1級控制裝置不會產生明顯的扭轉效應，通常梁體兩側均安裝控制裝置，由于對稱性，這種扭轉效應導致的面外變形更?。欢鴮τ谇€梁橋而言，地震作用對第1級控制裝置會產生一定的扭轉效應。試驗得到的軟鋼阻尼器滯回曲線如圖9(b)所示。

可以看出，軟鋼阻尼器在偏心扭轉效應下的滯回曲線飽滿，每一級剛度退化都比較規(guī)律，體現出良好的耗能能力。

4.2 第2級控制裝置靜力拉伸試驗

連梁拉索裝置實現主梁拉結連續(xù)化能力，同時提供足夠的緩沖力，控制主梁間的相對位移，并緩和地震時強大的沖擊力，控制梁體墜落的發(fā)生，考慮因素有：a.鋼絞線的設計采用W/2靜力法[6]；b.第1級控制中的耗能限位已經耗散了一部分地震能量，減小了主梁的振動；c.第2級控制中錨固端的彈簧和橡膠墊具有緩沖作用。因此，不考慮主梁脫座后的動力效應，采用單調靜力拉伸試驗對其性能進行測試，試驗方案如圖10所示。將一端固定裝置通過連接長桿固定在壓剪機上部千斤頂作用面上，另一端固定裝置通過地錨螺栓固定在地梁上，整個裝置呈豎向連接。先采用1 mm/min的速度調節(jié)壓剪機，消除預緊力。然后，采用5 mm/min加載速度進行試驗，先拉伸至彈簧完全壓縮狀態(tài)，停止加載，然后釋放加載位移恢復到初始狀態(tài)，觀察彈簧恢復狀況。之后，繼續(xù)以5 mm/min加載速度加載，直至拉索發(fā)生破壞。

圖10 第2級控制裝置拉伸試驗Fig.10 Tensile experiment of the second level control device

試驗中，第一次加載至彈簧完全壓縮，然后釋放荷載，彈簧的恢復完好，如圖11所示。

圖11 彈簧壓縮-恢復狀況Fig.11 Compression-recovery status of spring

在第2次加載至拉索發(fā)生破壞過程中，拉伸起始階段僅彈簧發(fā)揮作用，當位移達到215 mm時，彈簧壓縮達到極限。之后，高阻尼橡膠墊發(fā)揮緩沖作用，當位移達到315 mm時，橡膠墊失效，如圖12所示。隨著荷載繼續(xù)增加，鋼絞線受力急劇上升，直至加載到372 mm，第1根鋼絞線發(fā)生破壞，對應的極限力為1 003 kN；繼續(xù)加載到376.76 mm，第2根鋼絞線發(fā)生破壞，對應的極限力為971 kN；繼續(xù)加載到377.47 mm，第3根鋼絞線發(fā)生破壞，對應的極限力為917 kN。為了防止鋼絞線全部拉斷后對壓剪機產生沖擊作用，停止試驗，釋放荷載。拉伸試驗對應的極限荷載為1 003 kN，極限位移為377 mm，與設計的4根φ15.24 mm的鋼絞線極限荷載1 044 kN相接近， 極限位移值等于彈簧壓縮量、高阻尼橡膠墊壓縮量與鋼絞線伸長量之和。鋼絞線拉伸試驗結果和緩沖部件壓縮試驗結果分別如表1,2所示，拉伸過程的力-位移曲線如圖13所示。

圖12 高阻尼橡膠墊和彈簧破壞Fig.12 Failure of high damping rubber sheet and spring

表1 鋼絞線拉伸試驗結果

Tab.1 Results of steel strand tensile experiment mm

表2 緩沖部件壓縮試驗結果

Tab.2 Results of cushioning unit compression experiment

名 稱彈簧/mm高阻尼橡膠墊/mm原長25040極限壓縮后長度2010

圖13 拉伸試驗力-位移曲線Fig.13 Force-displacement curve of tensile experiment

此外，試驗中錨具在鋼絞線拉伸過程中錨固作用良好，說明選用的錨具符合設計要求。

4.3 控制裝置轉換試驗

從第1級控制狀態(tài)到第2級控制狀態(tài)的轉換主要依據抗剪螺栓的剪切強度，以螺栓剪斷作為第1級控制裝置的失效標志，對螺栓進行剪切試驗。

控制裝置兩側分別采用100 t的液壓千斤頂水平作用在固定裝置的軸心投影位置，并將兩側千斤頂的基座支撐在反力支撐上。將軟鋼阻尼器從裝置上拆卸，留下上部角鋼通過螺栓與固定裝置連接。用一個50 t的千斤頂直接作用在上部角鋼處，施加水平向荷載，對螺栓進行剪切試驗，如圖14所示。

圖14 控制轉換試驗Fig.14 Control conversion experiment

對兩種不同型號的4.8級普通螺栓進行分工況試驗：先分別對M18和M20兩種螺栓進行單根抗剪試驗，再分別對2根M18和2根M20螺栓進行抗剪試驗，試驗結果如圖15和表3所示。

圖15 螺栓剪切破壞Fig.15 Bolt shear failure

表3 螺栓剪切試驗結果

Tab.3 Results of bolt shear experiment

螺栓型號等級數量傳感器力/kN應變系數極限剪力/kNM184.813127.044.57M204.814507.064.28M184.829007.0128.57M204.821 2867.0183.7

可以看出，螺栓的破壞截面平整，說明其破壞為剪切破壞，屬于脆性破壞。此外，螺栓抗剪試驗中一定要使螺栓緊固，以防止螺母脫絲導致螺栓產生彎曲變形，從而很難使之破壞，不能滿足控制狀態(tài)轉換要求。試驗中，除阻尼器選擇2根M20螺栓進行組合連接外，均能夠滿足P1=27.76 kN<螺栓的極限剪力

5 有限元模擬驗證

建立地震落梁兩級控制裝置的有限元模型，進行數值模擬，采用試驗結果驗證有限元模型及數值分析結果的可靠性。由于控制裝置部件較多，接觸連接復雜，首先采用SolidWorks軟件進行前期處理，繪制和裝配模型，如圖16(a)所示；然后導入ABAQUS，選用四面體減縮積分單元C3D20R進行網格劃分，角鋼局部位置采用楔形單元完全積分，彈簧如選用實體單元很難進行網格劃分。本研究選用特殊設置中的線性彈簧，剛度設定為20 N/mm，共施加8組彈簧，圖16(a)中的下部固定端在有限元中通過施加固定約束進行模擬，如圖16(b)所示。

圖16 裝置整體模型Fig.16 Whole model of device

根據試驗方案，有限元數值模擬也為3個部分：軟鋼阻尼器低周往復數值模擬、鋼絞線單調拉伸數值模擬和螺栓剪切數值模擬。其中，低周往復數值模擬采用與試驗加載一致的位移加載方式，如圖8所示。軟鋼阻尼器數值模擬采用三折線模型，螺栓剪切數值模擬采用ABAQUS自帶的延性金屬損傷本構—剪切損傷本構。數值模擬結果與試驗結果比較如圖17所示。

圖17 數值模擬與試驗結果比較Fig.17 Comparison between numerical simulation and experimental results

可以看出，整體建模下的數值模擬結果與各工況下的試驗結果符合較好，說明兩級控制狀態(tài)是獨立工作，且有限元模型具有一定的可靠性，為采用數值模擬分析更多工況提供了有效保證。

6 結束語

筆者研發(fā)的地震落梁失效控制裝置通過兩級控制、耗能限位和“保險絲”構造充分體現了多級設防、耗能減震及結構分災的抗震設計思想。該裝置可實現兩級控制目標，第1級控制具有耗能能力，同時提供恢復力，形成防落梁系統(tǒng)的首道防線。第2級控制具有拉結能力，同時提供緩沖力，形成防落梁系統(tǒng)的第2道防線。兩級控制狀態(tài)是獨立工作的，第1級控制連接中的螺栓剪斷實現了裝置從第1級控制狀態(tài)至第2級控制狀態(tài)的轉換。該裝置實現了墩-梁連接模式和梁-梁連接模式的優(yōu)勢互補，可以在不過度增加橋墩附加地震作用的情況下有效地減小梁-墩相對位移，解決了落梁控制中有效位移控制和橋墩損傷之間的矛盾。