國外橋梁振動臺試驗綜述

封益兵

(重慶市市政設計研究院)

1 引 言

人類歷史上，地震給人類造成了極大的災難，為了減輕地震災害，世界各國的地震工程工作者和結構工程工作者致力于提高結構抗震能力的研究。在上世紀初，結構抗震理論開始形成。隨著理論研究的深入和實際應用的發展，到目前結構抗震理論已經形成了一個內容豐富的科學領域，而結構抗震試驗研究作為結構抗震理論的重要組成部分，是與結構抗震理論的發展密切相關的。結構抗震試驗方法總體可以分為四類:擬靜力試驗方法、地震模擬振動臺試驗方法、擬動力試驗方法和原型結構的動力測試。其中地震模擬振動臺試驗方法開辟了一片新抗震研究的自由空地，在結構抗震發展史上是具有里程碑意義的研究方法。有關橋梁振動臺試驗的研究就在這樣的大背景下應運而生，實際地震對實橋作用的模擬難以實現，而振動臺實驗通過改變橋梁動力參數及地震輸入掌握橋梁結構地震響應的變化，對研究減震機理是非常必要的。利用振動臺進行抗震試驗，具有其他動力和靜力試驗無法比擬的特點:

(1)振動臺可以模擬若干次地震現象;

(2)可以了解試驗結構在不同強度地震作用下的力學向能和地震造成的破壞現象;

(3)通過振動臺模型試驗，可以檢驗計算理論的正確性，且有助于解決結構動力分析中的一些問題;

(4)在災區只能看到震后的現象，而通過模型試驗，可以了解結構破壞的全過程。

橋梁振動臺試驗的過程一般可分為四步:

(1)振動臺試驗模型設計制作。在此要考慮到遵守模型結構與原型結構之間的相似理論，包括幾何尺寸、材料、荷載和邊界條件的相似;

(2)模型制作與安裝。此步要考慮到模型剛度、模型測點布置以及試驗時的安全保護措施;

(3)進行振動臺試驗。此步主要考慮地震波的選擇和地震波的輸入;

(4)收集整理試驗數據。

2 國外橋梁振動臺試驗的研究現狀

自從1970 年，美國加利福尼亞大學伯克利分校建成世界上第一座地震模擬振動臺以來，結構抗震研究從此掀開了新的一頁。迄今為止，外國學者已經進行了為數眾多的橋梁振動臺試驗研究。

Meng－Hao Tsai 等為了研究滾軸支座的隔震效果，曾對一個比例模型橋進行了振動臺試驗。考慮到振動臺的能力，橋梁模型的尺寸比例定在1/7.5。為了與振動臺上的定位錨固洞相適應模型橋跨中到中的尺寸由400 cm 改到450 cm。在水平激勵作用下橋梁板被當作剛性體，質量相似主要考慮板模型。板的長為500 cm，寬為175 cm。型梁連同其上的鉛塊共重193.3 kN 作為橋板模型。為了排除由于混凝土開裂而引起的剛度退化，按照剛度相似理論設計了鋼管混凝土橋墩。鋼管的厚度是8 mm，直徑是21.6 cm，厚度與直徑沿橋墩高度沒有變化。同樣，混凝土蓋梁外部覆蓋鋼板以防止混凝土開裂。橋梁模型的混凝土抗壓強度是20 600。每個橋墩包含一個1.23 m 高的鋼管混凝土柱和一個1.13 m的蓋梁。

通過橋梁模型的振動臺試驗驗證了滾軸支座可以作為一個隔震裝置。試驗結果表明當結構完全處于傾斜振動狀態時，由滾軸支座傳入的地震力與地震強度是無關的。通過對模型橋梁進行的有粘滯阻尼器和無粘滯阻尼器的振動臺試驗對比，分析了在白噪聲激勵下滾動軸承的非線性動力特性。用四組不同加速度的峰值的激勵分析了模型橋梁的地震反應，由于滾軸支座的阻尼比較小，會使位移增大，上部結構振動加劇。可以把滾軸支座和粘滯阻尼器一起使用，雖然會導致加速度反應稍微的增加，但是阻尼器的存在可以減少大震下的橋梁上部結構的振動和較大的位移。比較有阻尼器和無阻尼器是的隔震效果，滾軸支座在無論何種峰值地面加速度下，阻尼器都可以加大的減輕其地震反應。

P.Tsopelas 等為了研究滑移隔震系統隔震效果，對模型橋梁進行了振動臺試驗。橋梁模型包括了柔性橋墩和剛性橋墩，模型的跨度為4.8 m，高度為2.53 m，模型總重量為157.8 kN。橋梁的上部結構是兩根中間用橫桿連接的工字型鋼。

上部結構與外加質量共重143 kN。橋墩在自由狀態完全加載是的周期是0.1 s。由于模型的設計中含有柔性橋墩，所以在沒有隔震的情況下模型縱橋向的基本周期是0.25 s。所有隔震系統由滑移軸承和橡膠恢復力裝置構成。

試驗對隔震橋梁和非隔震橋梁進行了對比，研究了在某些情況下不同隔震體系在兩種墩上的特性。試驗對中震、強震和各種場地條件下的情況都做了測試。試驗結果表明:當傳給結構的作用不超過上部結構重量的1/3 時，并且支座位移小于在原型尺寸中的200 mm 時，可以用在系統中加入液體粘滯阻尼器的方法來抵抗日本規范中第二水平強烈的長周期地震作用。試驗還證實了對比于非隔震橋梁，隔震橋梁的地震反應有質的減小。試驗表明豎向地面激勵對隔震橋梁的作用最小。試驗還得出滑移支座和液體粘滯阻尼器的組合不僅對抵抗強震有作用，對抵抗小震同樣有效。

內華達大學的M.Saiid Saiidi 等人為了研究橋梁在線性和非線性地震動下的橋梁橫橋向的反應。模擬實際橋梁從彈性、延性到毀壞階段進而為設計提供依據。做了一個1/4的模型。本試驗是一個大型試驗，模型長20.5 m，高3.28 m，單跨跨度為9.14 m，模型采用了預應力加固，橋的兩跨支撐在三個墩上，墩采用了雙柱型結構。

通過測試橋墩的屈服程度來判斷橋梁反應情況。地震動輸入是75 年超越概率為50%和3%的地震波。試驗結果在常遇的地震下完全符合NCHRP(國際高速公路合作研究計劃)標準，模擬的地震作用對模型損傷很小，最大的裂縫寬度最大僅有0.08 mm，沒有一個墩到達屈服點，最大只到達位移彈性能力95%，結果在罕遇的地震作用下同樣符合NCHRP 標準，結構能基本保持完好，能夠保證行人的安全，結構的破壞大多限于混凝土保護層的破壞，有兩個墩出現混凝土剝落，但其中只有一個墩螺旋箍筋裸露。滿足設計的最低標準。

賴斯大學的Satish Nagarajaiah 等人為了研究滑移隔震橋梁在近地震源的地震反應，按照1:20 的比例做了一個單跨模型，模型的梁重只有12.36 kg，跨徑1.83 m，梁高0.23 m，模型總高度0.957 m，使用四個滑移支座，一個磁流變阻尼器，兩個剛度為1 632 N/cm 復位彈簧。模型所使用滑移支座是表面經過聚四氟乙烯處理的不銹鋼鋼板，支座的摩擦系數是隨上下相對速度改變而改變。模型縱向設計周期在有隔震情況下是0.55 s，無隔震情況下是0.1 s，通過鎖定和釋放滑移支座來實現。在試驗中使用的地震波是在諾森伯蘭郡地震中記錄下來的幾條地震波。對磁流變阻尼器的電壓輸入是通過滑動控制器來完成的。

試驗結果顯示半主動和主動控制阻尼器能使結構變形和內力都大大減小。結果顯示磁流變阻尼能減少墩的地震反應明顯好于被動阻尼，而這種效果過去只能通過增加被動阻尼器，而且是在更大的地震作用下才能得到的效果。

3 橋梁振動臺試驗研究發展的趨勢

近半個世紀以來，國內橋梁振動臺試驗也有了較好的發展。主要有范立礎等為了驗證橋梁板式橡膠支座、聚四氟乙稀滑板橡膠支座的動力剪切性能以及弧形鋼板條的滯回性能的力學分析模式的可靠性，進行了簡支梁橋模型的地震模擬振動臺試驗。張俊平等為了驗證利用鉛芯橡膠支座鉛芯屈服前剛度合理調節列車制動力、利用鉛芯屈服后剛度進行隔震的思路的可行性，曾對模型橋梁進行了振動臺試驗，他們還運用同一試驗模型分析了隔震構造、橡膠支座水平剛度、地震輸入頻譜特性、地震烈度、輸入方向、橋墩高度、橋墩嵌固程度等因素對隔震效果的影響，揭示了隔震體系耗散地震能量輸入的機理。陳海權等為了驗證SMA 阻尼器卓越的阻尼性能以及對大跨斜拉橋地震反應的控制效果，曾對大跨斜拉橋模型進行了地震模擬振動臺試驗。周敉等為了驗證其建立的獵德大橋精細化有限元模型仿真計算結構的正確性，進行了縮尺比為1∶60 的全橋模型振動臺試驗。

橋梁振動臺試驗發展的趨勢可以從兩個方面來考慮，一是試驗所需配套設備的發展;二是試驗方法和研究內容的推陳出新。這二者是緊密聯系的，有是相互影響的。振動臺試驗的最終目標是再現地震時結構的真實反應。但是由于考慮到結構尺寸、場地等各方面因素的制約，很難得到真實結構的地震反應，這就需要試驗設備和試驗手段的不斷發展。如為了消除相似比的影響，直接用原型結構進行試驗;為了解決大跨橋梁結構各部位受地震力有所區別，需要多點輸入地震波的問題，地震模擬振動臺陣系統模型試驗方法應運而生。

在試驗方法和研究內容方面，試驗和研究分析的有機結合在很長一段時間內將是橋梁振動臺試驗一個重要的準則。基于性能的抗震設計研究要求振動臺試驗囊括結構的整個應變過程，包括從彈性小應變到大應變直至結構倒塌的全過程跟蹤研究，還包括對結構失效機理、屈服區裂縫發展規律、結構的變形耗能、裂縫耗能等的研究，同時對大震下橋梁結構中的防護措施進行深入細致的研究，包括橋梁中的擋塊、拉桿、錨栓的受力、變形以及耗能情況進行研究。在考慮橋梁防護措施作用的基礎上研究橋梁在大震下的極限承載能力和極限位移。同時可以考慮從能量消耗的角度進行振動臺試驗研究，建立一套系統的方法。

［1］ Nathan S. Johnson，M. Saiid Saiidi，David H. Sanders. Performance of a Large Scale Two－ Span Bridge Model underDesign Earthquake Motions［J］. Structural Engineering Research Frontiers，2007.

［2］ Satish Nagarajaiah，M. ASCE，Sanjay Sahasrabudhe，Iyer，R.Seismic Response of Sliding Isolated Bridges with Smart Dampers Subjected to NearSource Ground Motions［J］. Structures 2000，2004.

［3］ S. Okamoto，S. Fujii ，D. Ozaki ，Experimental study of bridge seismic sliding isolation systems［J］. Engineering Structures，1996，18，(4)，301－310.

［4］ Meng－ Hao Tsai，Si－ Yi Wu，Kuo－ Chun Chang，George C.Lee，Shaking table tests of a scaled bridge model with rolling－type seismic isolation bearings［J］. Engineering Structures.2007.29. 694－702.