雙重?fù)鯄K式分散抗震裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

秦 凱，王常峰，周曼玲

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

雙重?fù)鯄K式分散抗震裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

秦 凱，王常峰，周曼玲

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

基于多個(gè)部件共同承擔(dān)地震作用的思路，研究提出在活動(dòng)支座墩上設(shè)置雙重?fù)鯄K式分散減震裝置，使活動(dòng)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(jì)了兩種耗能構(gòu)件，并通過耗能構(gòu)件的擬靜載試驗(yàn)，得到了構(gòu)件的力-位移滯回曲線。試驗(yàn)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(shí)耗能構(gòu)件可簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)；非線性時(shí)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(huì)給社會(huì)的發(fā)展帶來巨大損失。橋梁工程的破壞，會(huì)造成震后的搶險(xiǎn)救災(zāi)工作不能及時(shí)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(jì)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(yùn)行[5]。

由于工程場(chǎng)地是否會(huì)遭遇地震的不確定性，以及當(dāng)今對(duì)橋梁地震破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚不完備，橋梁抗震實(shí)際上還不能完全依靠定量的計(jì)算方法。但是通過對(duì)歷次大地震的震害分析表明，一些從震害經(jīng)驗(yàn)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(guó)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）[9]提出了由各個(gè)墩、臺(tái)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(shí)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(dòng)支座墩卻僅依靠墩頂活動(dòng)支座的摩擦力承擔(dān)很少地震作用，甚至有時(shí)起到不利的作用。為解決該問題，研究提出了在活動(dòng)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(yàn)方法，設(shè)計(jì)并確定了耗能減震構(gòu)件的承載力及耗能能力，并對(duì)多跨連續(xù)梁橋的分散減震效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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

1.1 耗能構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙重?fù)鯄K式分散減震裝置連接活動(dòng)支座墩和梁體，只有當(dāng)梁體與橋墩的相對(duì)位移超過活動(dòng)支座墩和梁體的預(yù)留間隙時(shí)，分散減震裝置才起作用。若使活動(dòng)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(shí)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(jì)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(diǎn)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(duì)其性能沒有明顯的影響。尤其關(guān)鍵的是鋼材造價(jià)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(diǎn)及適用性。

周云[10]提出了耗能減震器的設(shè)計(jì)思路，即多個(gè)元件協(xié)同工作、多種機(jī)制共同耗能、多道防線多級(jí)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(jì)時(shí)，按照多道防線的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，耗能能力利用鋼材的特性來保證。

耗能構(gòu)件設(shè)計(jì)參考加勁耗能裝置的構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(huì)發(fā)生相對(duì)變形，當(dāng)荷載超過鋼材的彈性極限時(shí)，鋼板會(huì)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(duì)比耗能構(gòu)件極限承載力和耗能能力，本文設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)腹板的片數(shù)及菱形開孔板的片數(shù)可根據(jù)實(shí)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(shí)局部破壞，在頂部加了3道加勁板，實(shí)際橋梁的分散抗震構(gòu)件的設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)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(jì)需要將梁部結(jié)構(gòu)的慣性力傳遞到活動(dòng)支座墩，故分散減震裝置需具有一定的強(qiáng)度，同時(shí)為了消耗地震能量，還應(yīng)具有一定的耗能能力，設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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(shí)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(gè)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(shí)腹板的片數(shù)及X形板的片數(shù)可根據(jù)實(shí)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(shí)局部破壞，在頂部加了3道加勁板，實(shí)際橋梁的分散抗震構(gòu)件的設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)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(jì)需要將梁部結(jié)構(gòu)的慣性力傳遞到活動(dòng)支座墩，故分散減震裝置需具有一定的強(qiáng)度，同時(shí)為了消耗地震能量，還應(yīng)具有一定的耗能能力，設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(yàn)概況

試驗(yàn)所采用的加載設(shè)備是由計(jì)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(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)又可分為3個(gè)組成部分：橫向加載系統(tǒng)、試驗(yàn)構(gòu)件、數(shù)據(jù)測(cè)試及采集系統(tǒng)（見圖3a）。

圖3 試驗(yàn)裝置布置圖

根據(jù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的差異，將實(shí)驗(yàn)分為A、B兩大系列6個(gè)加載單元，分別記為A1、A2、A3、B1、B2、B3。室內(nèi)試驗(yàn)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(huì)需要通過試驗(yàn)的方式來建立簡(jiǎn)化的恢復(fù)力模型。試驗(yàn)研究的目的決定了加載制度的選擇，本次試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(cè)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(duì)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(yàn)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(shí)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(yàn)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(shí)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(duì)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(yàn)表明，該耗能構(gòu)件可有效地吸收地震時(shí)傳遞來的能量。

3 結(jié)語

結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的目的，歸根結(jié)底是對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能和抗震能力的評(píng)定。本次抗震試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)所受的是周期性靜力荷載，雖然這與地震動(dòng)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(yàn)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(yàn)結(jié)果可以給出一種偏于保守的宏觀評(píng)定結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)的危害，為以后的抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)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(guó)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(tái)大學(xué)學(xué)生。