兩跨連續斜交梁橋振動臺試驗研究

許永吉， 卓衛東, 孫　穎(福州大學 土木工程學院，福州　350108)

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兩跨連續斜交梁橋振動臺試驗研究

許永吉， 卓衛東, 孫穎(福州大學 土木工程學院，福州350108)

摘要：選取了斜交角、配箍率和軸壓比等設計參數，對兩跨連續斜交梁橋進行結構動力特性分析和單向地震動輸入下結構的地震反應分析。以福建省高速公路某座斜交梁橋為工程背景，設計制作了一座1/5縮尺兩跨連續混凝土斜交梁橋試驗模型，結合振動臺模型試驗和數值模擬分析，研究斜交梁橋地震響應及震害特點。振動臺模型試驗結果表明：不同場地類別的地震動及同一場地類別但不同的地震動作用下，結構的加速度響應、位移響應差別較大；在相同斜交角時，軸壓比越小，加速度和位移響應越大；當軸壓比相同時，斜交角越小，加速度和位移響應越大。從試驗可知，在斜交橋設計中，合理選擇斜交角對橋梁動力性能有很大的影響。

關鍵詞：兩跨斜交梁橋；振動臺試驗；地震響應分析；參數分析

斜交梁橋由于能較好地滿足路線設計的線形要求、縮短線路從而達到節省投資、提高經濟效益等優點，因此，近年來斜交梁橋在國內外高等級公路、擁擠的城市區域和立交結構中得到較多應用。據不完全統計，在國內高速公路上斜交梁橋的數量有時可以達到整條線路橋梁總數的40%～50%[1-2]。

迄今為止，國內外研究者已對斜交梁橋的震害現象開展了一系列的研究工作，Wakefield等[3-5]主要從震害機理方面進行闡述，Meng等[6]利用數值分析方法進行研究，并試圖對震害機理給出一個合理的解釋。Maleki等[7-10]則從斜交梁橋抗震性能進行參數分析，試圖了解主要設計參數對斜交梁橋地震響應的影響，并認為斜交角的存在放大了斜交梁橋的地震反應，使斜交梁橋在地震動作用下產生彎扭耦合效應。Meng等[11]采用試驗方法，結合有限元模擬分析，指出試驗在斜交梁橋震害研究中的重要作用。由此可知，斜交梁橋的研究先后經歷了震害機理、數值分析方法及參數分析等角度的研究，對斜交梁橋的震害機理、抗震性能進行不同程度的討論，指出斜交因素放大了斜交梁橋的地震反應，使斜交橋的地震反應分析比正交橋更為復雜。盡管研究者對斜交梁橋震害研究較早，然而迄今為止仍可以發現在強震作用下斜交梁橋出現嚴重的破壞現象，如我國2008年的汶川地震中發現多座斜交梁橋出現落梁、碰撞、垮塌等嚴重的震害現象。由此可知，目前國內外對斜交梁橋的震害機理大都停留在數值分析方法上，且不同的數值模型在模擬原橋結構時又會產生較大的分歧，增加了斜交梁橋研究的復雜性和不確定性；而且國際上對斜交梁橋的研究理論：彈性梁理論[13]和剛性梁理論[3,12-15]在解釋震害機理方面存在較大的分歧，甚至會出現相互矛盾現象，如文獻[16]認為斜交梁橋上部結構出現過大偏位現象是由于碰撞引起的，而文獻[3]則認為是由于橋面板的剛體轉動引起的；斜交角是否是影響斜交梁橋震害唯一主要的元素也存在較大的爭論[17]。

綜上分析可知，目前國內外對斜交梁橋的震害機理認識還不夠充分，分歧較大且缺乏試驗驗證。因此，對斜交梁橋開展振動臺模型試驗研究具有必要性；本文通過系統的振動臺模型試驗研究，明確斜交梁橋的震害機理和地震反應規律，為今后地震反應分析方法的選取、抗震構造設計及規范編制提供參考。

1地震模擬振動臺試驗

本次斜交梁橋振動臺試驗采用了福州大學海峽兩岸土木工程防震減災工程研究中心地震模擬振動臺三臺陣系統，可以實現三臺獨立模式、異步模式、以及三臺關聯運動的臺陣工作模式。該振動臺主要技術參數為：中間大臺為4 m×4 m，兩邊分別為兩個相同的小臺，臺面尺寸為2.5 m×2.5 m，振動方向均為X,Y兩向，臺面最大位移均為25 cm，臺面滿載最大加速度中間大臺X向1.5 g、Y向1.5 g，兩側小臺X向1.5 g、Y向1.2 g工作頻率范圍為0.1～50 Hz。

1.1模型相似比設計

本文采用量綱分析法來進行試驗模型的相似比設計。進行設計時，盡可能保證結構模型材料的相似性，即保證模型材料的應力-應變關系、破壞強度與彈性模型應與原型結構相似。鑒于實驗室振動臺的臺面尺寸、承重能力及臺面距離等條件，本文采用縮尺比例為1/5的試驗模型。根據相似理論和本文試驗目的，采用原型材料制作模型，加速度相似比取為1∶1；在重力失真方面，則通過增加配重方式給予消除。具體的相似常數如表1所示。

1.2試驗模型設計

本文試驗以公路典型兩跨連續斜交梁橋為研究對象。斜交角分別取15°、30°，根據試驗相似系數，確定模型橋總長為10.4 m，兩跨等跨連續布置，橋寬2.1 m，板厚0.25 m；中間設置鋼筋混凝土雙柱式圓形橋墩，兩邊為橋臺，模型橋總體布置如圖1所示。

表1　模型相似常數

圖1　模型橋梁總體布置圖Fig.1 The Layout of the model bridge

試驗采用原型材料制作模型。在歷次破壞性地震調查中發現，斜交梁橋上部結構及橋臺破壞微小，破壞主要集中在橋墩、蓋梁及支座等構件，因此，橋面系和橋臺在試驗過程中可以視為剛體。本文試驗對橋面系和橋臺均采用保守設計，上部結構材料采用C30商品混凝土，主筋采用直徑14 mm的HRB335鋼筋，箍筋采用直徑10 mm的HPB235鋼筋。橋墩截面為圓形，直徑為25cm，墩高50cm，采用C25混凝土，主筋采用8Φ10的HRB335鋼筋，沿截面對稱配筋，箍筋采用Φ6 mm的HPB235鋼筋。橋臺采用鋼格構柱-混凝土板組合橋臺。蓋梁采用C25級混凝土，主筋采用直徑16 mm的HRB335鋼筋，箍筋采用直徑10 mm的HPB235鋼筋。支座采用GJY200×35型圓板式橡膠支座。

1.3試驗參數設計

根據已有的研究成果，本文選取斜交角、墩柱軸壓比、配箍率等3個因素作為主要影響因素，根據所選取的影響因素及水平，利用正交性，確定了各試件的設計參數，具體如表2所列。

表2　斜交梁橋試驗因素水平表

1.4試驗模型配重設計

根據幾何相似條件定出的模型結構，當采用與原型相同的材料時，上部結構重量明顯不足，處于失真狀態，需要通過增加配重方式給予消除。模型配重布置見圖2所示。

圖2　模型配重布置圖Fig.2 The Counterweight layout model

本文試驗主要是根據橋墩的設計軸壓比來反算上部結構的質量，從而實現對上部結構的配重。配重塊與橋面板梁通過高強螺栓連接，同時輔助鋼絲繩，使配重塊與橋面板梁能較好地形成一體，對于不夠的小額配重用鉛塊補上，以保證設計軸壓比要求。

1.5試驗測點布設

為了量測斜交橋在各種地震波激勵下的地震響應，在模型各關鍵部位分別布置了傳感器，測點布置及說明見圖3所示。在橋面板一側的銳角處和鈍角處各設二個位移傳感器，分別測量縱橋向和橫橋向的橋面板梁的位移，中間振動臺臺面和中間橋墩的頂部各布置二個位移傳感器，用以測量中間墩的位移。在中墩支座上布置了4個力傳感器。在墩頂墩底的縱筋上均預埋了應變片，用以測量鋼筋的縱向應變。

a.橋面板加速度傳感器　b.蓋梁加速度傳感器c.墩加速度傳感器　d.臺陣表面加速度傳感器e.力傳感器　f.墩頂位移傳感器圖3　模型測點布置圖Fig.3 Model of measuring point arrangement

2試驗工況分析

試驗合計選擇能代表4類場地的20種地震波，每種地震波考慮單向地震輸入(X向)，地震波選擇如表3所示：所有輸入的地震動工況，均根據相似關系進行時間壓縮，彈性階段加速度峰值均為0.05g。

3試驗結果及分析

3.1模型動力特性分析

在每次輸入地震動之前均有對全橋模型進行白噪聲掃略，觀察白噪聲對結構響應的影響，試驗過程發現白噪聲對結構響應的影響很小，也通過白噪聲掃略明確結構的動力特性，利用振動臺自帶的數據采集系統，獲得各加速度測點的時程數據，最后利用頻域傳遞函數求得模型體系的自振頻率，模型體系的自振頻率如表4所示。輸入的白噪聲加速度時程如圖4所示，輸入的功率譜曲線見圖5所示，從圖中不難發現功率譜覆蓋范圍較廣，可以很好的激發出全橋的各個模態。利用OpenSEES程序建立的試驗模型所得計算結果進行對比，試驗實測值與數值計算相差1.5%，說明試驗與數值模擬吻合良好。

表3　試驗各工況地震波表

圖4　白噪聲加速度時程曲線Fig.4 White noise acceleration time history curve

圖5　白噪聲頻譜圖Fig.5White noise spectrum

模態階數模型計算值/Hz試驗實測值/Hz相對差%工況14.584.5121.5白噪聲

3.2加速度響應分析

從四類場地20種地震波工況分析可以看出，Ⅰ類場地的Chi-Chi波響應較大，圖6列出該波沿縱橋向輸入時，橋面板左端加速度響應和墩頂縱橋向加速度響應實測記錄曲線：

圖6　結構在chi-chi波輸入下加速度響應時程曲線Fig.6 Acceleration time history response curve in the Chi-Chi wave

為了進行各影響因素響應分析，對橋面板板端及中部、墩頂進行加速度峰值響應進行對比分析，從圖中分析可知：

(1) 不同場地類別波作用下橋面板左端、跨中及墩頂的加速度反應區別較大，在同一類場地中不同波作用下結構的地震反應也有所區別；對于Ⅰ類場地，Chi-chi波作用下橋面板左端的縱橋向加速度最大反應值為0.146 g，而甘肅地震動作用下最大反應值為0.023 g，差值達6倍；

(2) 跨中加速度峰值總體均比板端來的小，斜交角30°時越發顯著，除個別波差別較大外其余差值均在10%以內；墩頂縱橋向加速度峰值隨波變也比較大，對于Ⅰ類場地的Loma Prieta波其值為0.057 g，與輸入峰值0.05 g差別不大，但對于Ⅰ類場地甘肅地震動其峰值為0.389 g是輸入峰值的近8倍。

(3) 從圖7可以看出，15°斜交角時，橋面板左端、中部、右端三個位置的加速度響應在軸壓比變化時，響應基本一致，30°斜交角時，除個別工況外，軸壓比0.07時的加速度響應基本都比軸壓比0.125時大。

(4) 從圖8可以看出，三個不同位置的橋面板在相同軸壓比下，15°斜交角時，X向響應最大，而且相比Y向響應差別較大，30°斜交角時X向響應也比Y向響應大，但是差別不是很大，可見斜交角越大，在單向地震波輸入時，橋面板X向和Y向響應差別越小。

圖7　相同斜交角，不同軸壓比加速度響應分析Fig.7 Acceleration response analysis in the same skew angle and different axial compression ratio

(5) 從圖9可知，在加速度峰值為0.05 g的單向地震輸入下，橋面板處的加速度峰值大多比墩頂來得小，說明板式橡膠支座的隔震較顯著，其在減小橋面板地震響應中起到較為積極的作用。

3.3位移響應分析

對不同場地類別地震動作用下模型結構的位移響應進行分析，考察不同場地條件及不同波對模型結構地震位移反應的影響。Chi-Chi波0.05 g加速度峰值波作用下墩頂的各工況最大位移響應為2.3 mm，而此種情況下噪聲激勵產生的響應為0.06 mm，產生的響應約占地震波產生響應的2.6%，說明白噪聲對結構響應的影響很小，分析過程忽略噪聲激勵的影響。本文主要提取墩頂縱橋向位移、橋面板銳角處橫橋向位移，分析結果見圖10所示。

(1) 從曲線圖可以看出，在0.05 g峰值加速度輸入下，不同場地類別、不同波對墩頂縱橋向位移反應及橋面板銳角處橫橋向位移反應變化很大，從Ⅰ類場地到Ⅳ類場地橋面板橫橋向位移呈逐漸減小趨勢，墩頂位移均值呈先減小后增大趨勢；橋面橫橋向位移與墩頂位移并未呈現出線性變化規律。

圖8　相同軸壓比，不同斜交角加速度響應分析Fig.8 Acceleration response analysis in the same axial compression ratio and different skew angle

圖9　橋面板與橋墩加速度響應分析Fig.9 Acceleration response of panel and bridge pier

圖10　橋面板及墩頂位移均值與場地類別關系曲線Fig.10 The Relationship between the displacementmean and site category of panel and pier

(2) 從圖10(b)可以看出，斜交角15°，軸壓比0.07時墩頂位移均值最大，軸壓比0.125時墩頂位移均值最小，可見軸壓比對墩頂位移有很大的影響，軸壓比越小，位移越大。

(3) 從圖10(a)可以看出，在斜交角相同的情況下，軸壓比越小，位移均值響應越大；軸壓相同的情況下，斜交角越小，位移均值響應越大。橋面板位移均值響應整體沒有很明顯的規律性，原因可能是由于三臺振的地震激勵沒有完全的一致性，造成橋面板發生一定的扭轉，而且橡膠支座的存在也對橋面板的位移響應造成一定的影響。

4結論

本文通過對160座在役高速公路斜交梁橋進行統計分析，合理的設計了兩跨斜交橋試驗模型，在福州大學三臺陣振動臺系統上開展了兩跨連續斜交梁橋的一致激勵振動臺試驗，主要得到以下結論：

(1) 通過對兩跨連續斜交梁橋進行一致激勵振動臺試驗，可以發現：當加速度峰值均為0.05 g時，不同場地類別的地震動及同一場地類別但不同的地震動作用下，結構的加速度響應、位移響應差別較大；20條地震動中，Chi-chi波輸入下結構的反應最為強烈，甘肅地震動最小；在各條地震動輸入下，結構未發現任何裂縫及支座滑動、變形情況，結構仍處于彈性階段。

(2) 針對斜交角和軸壓比的參數分析試驗表明，在相同斜交角時，軸壓比越小，加速度和位移響應越大；當軸壓比相同時，斜交角越小，加速度和位移響應越大。依此可以說明，在斜交橋設計中，合理選擇斜交角對橋梁動力性能有很大的影響。

(3) 在單向地震輸入下，橋面板處的加速度峰值大多比墩頂來得小，說明板式橡膠支座的隔震效果較顯著。

(4)當斜交角不斷增大時，斜交梁橋在縱橋向輸入地震波時因其本身的耦合性使橫橋向也有較大的相應地震響應。

參 考 文 獻

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Shaking table tests for a two-span continuous skew girder bridge

XUYong-ji,ZHUOWei-dong,SUNYing(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Abstract:The dynamic characteristics and three-dimensional seismic response of a two-span continuous skew girder bridge were analyzed, using parameters, such as, skew angle, shear span ratio, reinforcement ratio and axial compression ratio and so on. Taking a skewed girder bridge of Fujian as an engineering example, a 1∶5 scale two-span continuous skewed girder bridge model was designed for shaking table tests. Adopting shaking table tests and FE numerical analysis, the seismic responses and damage characteristics of the skewed girder bridge were studied. Results of shaking table tests showed that the structure’s acceleration response and displacement response are guite different under different types of ground motion and at the same site or different types of ground motion and at different sites; under the same skew angle. the smaller the axial compression ratio, the larger the acceleration and displacement responses; when the axial compression ratio is the same, the smaller the skew angle, the larger the acceleration and displacement responses; a reasonable choice of skew angle has a great influence on the dynamic performance of skew bridges in the design of skew bridges.

Key words:two-span skew bridge; shaking table test; seismic response analysis; parametric analysis

中圖分類號:U448.21+2

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.037

收稿日期：2014-10-23修改稿收到日期：2015-01-20

基金項目：國家青年基金(51208112)

第一作者 許永吉 男，博士生，高級工程師，1980年6月生