趙維賀
(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京市 100082)
振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是掌握結(jié)構(gòu)抗震性能的重要試驗(yàn)方法,不僅能夠?qū)Τ跏伎拐鹪O(shè)計(jì)成果進(jìn)行全面深入驗(yàn)證,也能對大橋抗震、減震措施等進(jìn)行有力指導(dǎo),確保大橋在地震作用下的安全。國內(nèi)處于高烈度區(qū)的大跨度橋梁和新型復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)大多做振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),以驗(yàn)證其抗震性能以及分析模型是否合理正確[1-6]。長安街永定河橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有以下特點(diǎn):跨徑大,地震力大;傳力復(fù)雜,高度不對稱;空間效應(yīng)明顯,在地震反應(yīng)上其規(guī)律不同于常規(guī)的橋梁,需要通過研究認(rèn)識(shí)該類型結(jié)構(gòu)的抗震特性和地震反應(yīng)規(guī)律;下部受力大基礎(chǔ)工程量大,需要根據(jù)地震要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),需要考慮樁土共同作用。綜上所述,針對永定河特大橋抗震性能,有必要進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。
永定河特大橋?yàn)楸本┦虚L安街西延市政工程(古城大街-三石路)中跨越永定河的一座特大型橋梁,主橋采用雙塔斜拉-剛構(gòu)組合體系。永定河特大橋,雙向8 車道,每側(cè)設(shè)3.5 m 寬非機(jī)動(dòng)車道和3.0 m寬人行道,機(jī)非隔離帶寬2.0 m。主橋全長639 m,北半橋跨徑組合為50 m+133 m+280 m+120 m+56 m,南半橋跨徑組合為50 m+158.1 m+280 m+94.9 m+56 m。橋梁最寬處為高塔的塔、梁結(jié)合處局部加寬為54.9 m。主橋?yàn)殡p塔斜拉剛構(gòu)組合體系,高、矮塔塔底南北兩肢順橋向距離均為25.1 m;橋塔采用全鋼箱結(jié)構(gòu);主梁采用分離式變截面鋼箱,中間用橫梁連接。支承體系:高塔采用塔梁墩固結(jié);矮塔處塔梁固結(jié),塔墩分離,縱向活動(dòng)。索塔采用拱形傾斜異面鋼塔,左幅高塔傾角71.8°,矮塔傾角59°,右幅高塔傾角62°,矮塔傾角74.7°。永定河特大橋總體布置見圖1。
圖1 永定河特大橋總體布置圖(單位:m)
根據(jù)加工工藝和試驗(yàn)?zāi)康模囼?yàn)?zāi)P瓦x用Q345鋼材作為梁、塔主體材料。這與實(shí)橋主結(jié)構(gòu)材料相同,保證實(shí)橋與試驗(yàn)?zāi)P蛷椥阅A肯嗨票葹?。按照嚴(yán)格幾何相似比縮尺后,模型所用鋼板厚度在1~2 mm,現(xiàn)有鋼板規(guī)格以及焊接工藝很難滿足縮尺模型需求,因此對于模型主體結(jié)構(gòu)采用5 mm 厚鋼板,通過設(shè)計(jì)計(jì)算保證模型與實(shí)橋剛度滿足相似比。斜拉索選用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩,直徑為5 mm。選用材料見表1。
表1 材料屬性表
根據(jù)試驗(yàn)場地條件、振動(dòng)臺(tái)技術(shù)參數(shù)以及試驗(yàn)?zāi)康?,擬定振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)P蛶缀慰s尺比為40∶1,縮尺后模型橋全橋長15.975 m。試驗(yàn)共采用5 個(gè)子臺(tái),矮塔和兩處輔助墩分別支撐于三個(gè)子臺(tái),高塔兩肢底座分別支撐于兩個(gè)子臺(tái)。各子臺(tái)均有3 向6 個(gè)自由度,組合后可模擬雙向和三向地震動(dòng),振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)P褪疽庖妶D2。模型材料采用與實(shí)橋相同的材料,試驗(yàn)?zāi)P涂傎|(zhì)量取實(shí)橋總質(zhì)量的1/3。根據(jù)相似關(guān)系可以計(jì)算得到其余導(dǎo)出量綱,即欠配重相似關(guān)系,見表2。
表2 欠配重相似關(guān)系
圖2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)P蛨D(單位:mm)
表3 給出了模型橋的前五階模態(tài)的理論值和模型橋前兩階實(shí)測模態(tài),由表可知模型橋的前兩階頻率和振型與數(shù)值模型基本一致,說明模型可靠,可以進(jìn)行下一步模擬地震試驗(yàn)。圖3 為數(shù)值模型第一階振型計(jì)算結(jié)果。
圖3 數(shù)值模型第一階振型
表3 模型橋的理論模態(tài)和實(shí)測模態(tài)
根據(jù)該橋的地震安評報(bào)告,根據(jù)該橋的地震安評報(bào)告,分別選用了50 a 10%和50 a 2%兩條不同超越概率的安評地震波E1 和E2 進(jìn)行輸入,下面給出縱橋向和橫橋向地震動(dòng)輸入跨中豎向位移結(jié)果、支座位反力結(jié)果、跨中主梁底板應(yīng)變結(jié)果以及TMD阻尼器的減震率[7]。
圖4、圖5 分別為模型橋在E1 安評波和E2 安評波作用下,跨中豎向位移時(shí)程結(jié)果。
圖4 E1 安評波下模型橋豎向位移時(shí)程
由圖4、圖5 可知,E1 地震作用下,模型橋跨中最大位移為3.11 mm(縱向)、1.64 mm(橫向);E2 地震作用下,模型橋跨中最大位移為7.63 mm(縱向)、3.65 mm(橫向)。根據(jù)相似關(guān)系,模型橋與實(shí)橋的位移相似關(guān)系為1/40,所以通過模型橋的位移反應(yīng)乘以位移相似關(guān)系得到實(shí)橋的位移反應(yīng)。實(shí)橋在E1 地震作用下模型橋跨中最大位移為124.4 mm(縱向)、65.6 mm(橫向);E2 地震作用下模型橋跨中最大位移為305.2 mm(縱向)、146 mm(橫向)。
圖5 E2 安評波下模型橋豎向位移時(shí)程
矮塔兩側(cè)支座下安裝了三向力傳感器,該傳感器可實(shí)時(shí)測量矮塔底部反力的變化。根據(jù)相似關(guān)系,模型橋與實(shí)橋的力相似關(guān)系為1/1 600,所以可以通過模型橋的反力乘以相似關(guān)系得到實(shí)橋的反力反應(yīng)。表4 給出了模型橋矮塔兩側(cè)支座豎向反力最大值和由相似關(guān)系計(jì)算的得到的實(shí)橋支座反力最大值。
表4 模型橋和實(shí)橋矮塔兩側(cè)支座反力最大值
由表4 矮塔支座豎向最大力均小于實(shí)橋矮塔支座豎向承載力設(shè)計(jì)值15 000 t。故支座在E1 和E2單一方向地震動(dòng)作用下承載力滿足要求。
試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)跨中變形最大,也是應(yīng)變最大位置。模型橋與實(shí)橋的應(yīng)力相似關(guān)系為1/1,表5 給出了主梁底板應(yīng)變最大值和最小值。表5 中單一方向地震動(dòng)作用下應(yīng)變最大值均小于鋼材的彈性應(yīng)變?yōu)?.2%,實(shí)橋整體結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。
表5 地震動(dòng)作用下主梁跨中底板應(yīng)變最大值和最小值
根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 166—2011)規(guī)定,本橋采用1.0 倍縱向+0.65 橫向或者1.0 倍橫向+0.65 縱向進(jìn)行組合。
(1)位移:結(jié)構(gòu)跨中豎向位移為結(jié)構(gòu)最大影響處,跨中豎向位移組合最大值為400.1 mm。
(2)反力:支座最大支反力為13 436.5 t 小于實(shí)橋矮塔支座豎向承載力設(shè)計(jì)值15 000 t。故支座在E1 和E2 縱向安平波作用下承載力滿足要求。
(3)應(yīng)變:主梁跨中底板的最大應(yīng)變值為338.8um/m=0.034%<0.2%,E2 地震動(dòng)作用下實(shí)橋整體結(jié)構(gòu)處于彈性階段。
由于該橋梁結(jié)構(gòu)為多自由度不對稱結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,第一振型為主振型,故對結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)進(jìn)行TMD 減震優(yōu)化分析。在模型橋主梁的跨中布置TMD 阻尼器,為了保證TMD 減震方案與模型橋試驗(yàn)條件保持一致,即TMD 的增加不改變原結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布,在TMD 安裝位置去掉等面積、等質(zhì)量的配重。TMD 阻尼器參數(shù)為:阻尼72 N·s/m;剛度21 388 N/m;質(zhì)量24.7 kg。減震效果以主梁跨中的豎向位移為減震指標(biāo),表6 給出主梁跨中豎向位移的峰值減震率。
表6 跨中豎向位移的峰值減震率
由表6 可知,在E1 作用下,TMD 對跨中豎向位移峰值減震率為-9.45%(縱向)、-17.96%(橫向);在E2 作用下,TMD 對跨中豎向位移峰值減震率為-7.88%(縱向)、-25.93%(橫向)。TMD 對不同地震動(dòng)輸入均有減震效果,但峰值減震率與地震動(dòng)的特性有關(guān),當(dāng)?shù)卣饎?dòng)輸入結(jié)構(gòu)后,結(jié)構(gòu)豎彎頻率與TMD 設(shè)計(jì)頻率越接近,豎向位移越大,TMD 峰值減震率越大。
該文通過對永定河特大橋1∶40 的全橋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論:
(1)模型橋模態(tài)測試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果吻合較好,說明了模型的可靠性。
(2)在E2 地震動(dòng)作用下,實(shí)橋主梁跨中底板最大應(yīng)變值為0.034%,小于鋼材的彈性應(yīng)變?yōu)?.2%,實(shí)橋整體結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。
(3)實(shí)橋支座在E1 和E2 地震動(dòng)作用下豎向承載力滿足要求。
(4)地震動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)后,結(jié)構(gòu)豎彎頻率與TMD 設(shè)計(jì)頻率越接近,豎向位移越大,TMD 峰值減震率越大。