考慮板式支座滑動效應的橋梁振動臺試驗研究

王凱睿，徐秀麗，李雪紅，李枝軍，田國偉，劉偉慶

(南京工業大學 土木工程學院，南京 210009)

考慮板式支座滑動效應的橋梁振動臺試驗研究

王凱睿，徐秀麗，李雪紅，李枝軍，田國偉，劉偉慶

(南京工業大學 土木工程學院，南京 210009)

在地震作用中，板式橡膠支座的滑動現象普遍存在，并可能導致梁體移位過大、梁體碰撞甚至落梁等一系列的連鎖反應。通過試驗對板式橡膠支座的滑動問題進行了研究；試驗結果表明：高速公路典型橋梁中板式橡膠支座在還未達到設防地震作用就會發生滑動，很難滿足《公路橋梁抗震設計細則》中規定的板式橡膠支座在地震作用下不允許發生滑動的要求；板式橡膠支座上表面先與下表面發生滑動，并且支座上表面滑動也更為頻繁、尺度也更大；板式橡膠支座的滑動具有一定的隔震作用，可有效減小橋梁結構的地震反應，但這種隔震作用極不穩定；下部結構的大變形會使支座發生卡壓，阻止其滑動位移的進一步擴大，間接發揮了防落梁作用。試驗中板式橡膠支座間存在不均勻受壓，導致部分橋墩受力過大而提前失效。

橋梁；振動臺試驗；板式橡膠支座；滑動；隔震

通過對國內常采用的板式橡膠支座橋梁震害的深入調查發現，板式橡膠支座在地震作用下容易產生滑動，從而導致主梁移位過大，進而引發梁體間碰撞及與擋塊碰撞，嚴重者甚至會發生落梁[1-2]。另外碰撞還會對下部結構產生較大的影響，可能導致橋墩迅速屈服，增加垮塌的危險[3]。

國內外學者對板式橡膠支座滑動可能發生的位置一直沒有定論，通常認為支座的上下兩個表面均可能發生滑動，但對震害調查發現典型梁式橋中板式橡膠支座的滑動主要發生在板式橡膠支座上表面與梁底的接觸面上[4-5]，所以目前對板式橡膠支座滑動機理的認識還存有一定的局限性，需要做深入的研究。

板式橡膠支座滑動后可以對橋梁上部結構起到一定的隔震作用[6]，這一點從汶川地震的震害中已得到印證。但這種滑動隔震究竟有多大的效果，在橋梁抗震設計中是否可以對這一有利現象加以利用，目前對這一問題的研究很少。Filipov等[7-9]對一種采用改進的板式橡膠支座的準隔震橋梁體系進行了一系列的研究，結果也印證了準隔震體系的地震反應有很大的不確定性。眾多學者進行的研究都偏重于滑動之后的梁體限位和碰撞問題[10-12]，但對支座滑動行為及其對橋梁下部結構地震反應的影響研究不足。

本文以高速公路上的中等跨徑典型連續梁橋為原型，開展了縮比模型振動臺試驗，記錄了板式橡膠支座的滑動行為，對比分析了各工況下結構的動力特性、加速度反應和板式橡膠支座滑動的相互影響規律。試驗結果可為板式橡膠支座橋梁的抗震設計提供參考。

1 振動臺試驗概況

1.1 模型相似比

振動臺試驗模型相似關系的確定是試驗設計的關鍵。本次振動臺試驗[13]的原型結構為典型連續梁結構，共3跨(3×30 m)，總長90 m。在綜合考慮振動臺性能參數、施工條件和吊裝能力等因素后，確定三個基本量幾何相似比SL=1/20、加速度相似比Sσ=1和應力相似比Sa=1，然后根據量綱分析法推導出其他參數的相似關系，具體相似關系見表1。

表1 模型相似關系Tab.1 Similitude relation of quantities

1.2 模型及材料設計

根據相似關系，對支座比例縮尺的試驗模型(橋跨3 m×1.5 m)，如圖1所示。

圖1 振動臺試驗模型Fig.1 Bridge model of shaking table test

本次試驗主要研究在縱向地震作用下橋墩和支座的地震反應，主梁的模擬重點在于對其質量的模擬，為方便模型制作和配重施加，將主梁設計成單箱截面。考慮到板式橡膠支座在地震作用下，存在下表面發生滑動的可能性，因此為提供足夠的滑動空間，模型中對蓋梁寬度進行了適當的加寬。橋墩直徑75mm，墩高500mm，模型的混凝土強度相似比為1∶1，采用C30混凝土，鋼筋及混凝土材料性能參數見表2。

表2 鋼筋及混凝土的力學性能參數

Tab.2 Parameters of reinforcing bars and concrete

MPa

1.3 板式橡膠支座設計

以滿足全橋結構動力特性相似關系為原則設計板式橡膠支座，支座的水平等效剛度為250 kN/m，支座構造圖及支座成品照片，見圖2。

圖2 板式橡膠支座Fig.2 The laminated rubber bearing

1.4 試驗測量設備及工況

在底座、墩頂和主梁上布置加速度傳感器，在橋墩鋼筋上布置了應變片來測量墩底的鋼筋應變，見圖3。利用攝影測量技術進行位移測量，在、、?、四個軸線墩架設攝像機，通過支座及橋墩墩身上布設標靶測點的動態位移視頻得出測點的實測位移[14]。

圖3 加速度傳感器及應變片布置Fig.3 Arrangement of accelerometer and strain gauge

根據試驗目的、先期的理論計算和有關地震波的特性，選用El-Centro地震波、根據規范反應譜以能量相等原則擬合得到的規范反應譜模擬地震波(簡稱擬合波)以及安評報告提供的原型結構橋址處的人工地震波(簡稱人工波)作為本次試驗的地震動輸入，見圖4。

試驗按從小到大的順序加載，加載的順序依次為0.15g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g，共計28個工況。在不同峰值加速度地震波輸入階段前后，對模型進行白噪聲(0.05g)掃頻，測量結構的動力特征參數。

圖4 試驗加載的地震波Fig.4 Seismic waves of test

2 試驗結果分析

2.1 試驗現象及動力特性

本次試驗按試驗工況逐次加載，再現了橋梁結構在地震中的反應現象，地震反應隨著地震動峰值加速度的增大而愈加劇烈。板式橡膠支座在地震中會發生滑動現象，且隨著地震動強度的增大而愈加嚴重。對比支座上下表面的滑動情況可以看出，支座上表面比支座下表面容易滑動，并且滑動幅度也比下表面大很多。最后橋墩墩底破壞嚴重，橋墩變形很大，但此時支座的滑動由于支座被卡壓后而得到限制。

圖5 模型頻率統計Fig.5 Frequency statistics of model

對峰值加速度地震波輸入后的掃頻工況頻譜分析結果進行統計，見圖5。從圖5可知，在0.3g地震波輸入前結構的頻率略有下降，說明結構基本處于彈性狀態，0.3g地震波輸入后，結構頻率明顯下降，結構破壞損傷進入塑性狀態。所有工況完成后結構自振頻率與初始頻率相比下降了約30%，結構破壞嚴重。

2.2 支座滑動特性分析

試驗中主要測量了板式橡膠支座上表面滑動位移、下表面滑動位移、支座變形、上下部結構相對位移及墩頂位移，下面根據試驗結果，對支座的滑動行為及其規律進行分析。

2.2.1 板式橡膠支座上、下表面滑動行為

在整個試驗過程中，支座的上、下表面均產生了滑動現象，且上表面的滑動幅度遠大于下表面。支座上表面在地震動峰值加速度0.2g作用下就發生了明顯的滑動現象，并且產生了殘留位移，此時尚未達到橋梁結構的抗震設防烈度。高烈度地震作用下，支座下表面在地震動峰值加速度0.4g作用下開始出現滑動現象，但滑動幅度較小，且基本沒有產生殘留位移。

2.2.2 上下部結構相對位移

仍以A-1支座為例，圖7給出人工波各工況下上、下部結構的相對位移時程曲線。板式橡膠支座橋梁在地震作用下，上、下部結構的相對位移是支座的變形與支座滑動效應的疊加。

從圖7可知：隨著地震動加速度峰值的增大，上、下部結構相對位移逐漸增大，但當地震動達到一定強度后，上、下部結構相對位移基本穩定。本試驗模型最后是由于下部結構發生了充分的延性而破壞，而非落梁破壞，是一種較理想的破壞模式。但若下部結構較強，支座的滑動將不會受到卡壓的影響，上、下部結構間的相對位移有可能較大甚至落梁，此時需注意防落梁措施的設計。

圖6 板式橡膠支座上、下表面滑動情況Fig.6 The slipping station of the laminated bearings

圖7 上、下部結構相對位移Fig.7 The relative displacements between upper and under structure

2.3 板式橡膠支座橋梁地震反應特性分析

本文對各工況下主梁加速度與墩頂加速度進行對比分析，出于篇幅考慮在此也僅給出了人工波各試驗工況下加速度反應情況，見圖8。

地震動輸入峰值加速度小于0.3g時，板式橡膠支座就已出現滑動現象，但結構基本處于彈性狀態。對比支座滑動前后上下部結構的地震反應(見圖8(a)與圖8(b))可知，支座滑動后產生了比較明顯的隔震效果，并且隨著地震動加速度的增大，支座的隔震效果越明顯。

輸入地震動峰值加速度0.5g后，橋墩塑性鉸發展嚴重，結構處于塑性狀態。由圖8(c)和圖8(d)可知，墩頂加速度開始減小，地震動峰值加速度0.6g時墩頂加速度僅0.3g，說明結構的弱化減弱了地震動的傳遞。

2.4 橋梁下部結構損傷對支座反應的影響

從圖9可知：在峰值加速度0.3g地震動作用下，橋墩鋼筋發生了首次屈服；在峰值加速度0.4g和0.5g地震動作用下橋墩屈服嚴重，有較大的殘余應變；在峰值加速度0.6g地震動作用下由于鋼筋應變過大而導致應變片失效。

圖8 人工波各工況主梁與墩頂加速度對比Fig.8 Comparative analysis on acceleration time-history between main girder and cap under the modes of the artificial acceleration wave

圖9 墩底鋼筋應變Fig.9 The statistics of pier bottom bar strain

A-1號板式橡膠支座的變形峰值情況見圖10，結合橋墩的屈服情況，可以看出在橋墩發生屈服之前，支座的變形隨著地震動的增大而增大；在橋墩發生屈服后，支座變形隨著地震動的增大而減小。這種現象說明，橋墩屈服后，板式橡膠支座本身低剪切剛度而產生的隔震作用被下部結構剛度的降低而弱化。

圖10 支座變形峰值Fig.10 The deformation peak values statistics of bearing

圖11 橋墩變形及支座變形與卡壓Fig.11 Deformation of pier and bearing

2.5 支座間不均勻受壓對支座滑動的影響

實際工程中會存在支座間不均勻受壓的現象，本試驗也發現支座不均勻受壓的情況也確實存在。由于存在支座間不均勻受壓的情況，軸線、軸線因支座的摩擦力較小，支座容易發生滑動，?軸線、軸線因摩擦力較大，支座滑動不明顯，如圖12所示。

圖12 各軸線上支座滑動情況Fig.12 The bearing slipping station of different axis

需要說明的是：在對稱結構上，由于支座的不均勻受壓導致通過摩擦力傳遞的地震反應不對稱，從而會產生扭轉效應，導致部分截面的受壓過大。墩柱頂部在扭矩作用下發生開裂，如圖13所示。

圖13 墩頂裂縫Fig.13 Cracks in the pier top

2.6 支座滑動的隔震效應

圖14 各軸線地震反應對比Fig.14 The comparison of earthquake response between different axis

人工波峰值加速度為0.15g、0.3g和0.4g地震動作用下，A-1橋墩和D-1橋墩墩底鋼筋應變對比，如圖15所示。

圖15 A-1、D-1墩底鋼筋應變對比Fig.15 The rebar strain comparison between A-1 and D-1

對比分析以上各圖可以看出：在支座未發生滑動時，A-1墩底鋼筋應變與D-1墩底鋼筋應變基本一致，說明此時兩橋墩受力水平相當(見圖15(a))；在支座發生滑動后，由于A-1支座滑動明顯，D-1支座滑動微弱，兩者地震反應出現了差異，A-1墩底應變明顯小于D-1墩底應變，在地震動輸入完成后A-1墩底鋼筋沒有出現殘余應變，而D-1墩底鋼筋出現了明顯的殘余應變(見圖15(b))；當A-1支座與D-1支座滑動差異加大后，A-1橋墩與D-1橋墩的地震反應差異度變得更大(見圖15(c))。

3 結 論

本文以典型高速公路連續梁橋為原型設計制作了振動臺試驗模型，試驗較好地呈現了板式橡膠支座在地震作用下的滑動現象，得到的主要結論如下：

(1) 板式橡膠支座由于剛度較小具有一定的隔震作用；支座滑動后，支座的隔震效果更加明顯；板式橡膠支座的滑動降低了結構加速度的反應，對減小橋梁地震反應有積極作用，但這種隔震作用不穩定，因此難以定量。

(2) 板式橡膠支座上下表面均發生了滑動現象，上表面先于下表面滑動，且上表面的滑動距離也遠大于下表面板式橡膠支座的滑動容易導致上下部結構間產生較大的相對位移，實際工程中應根據板式橡膠支座的滑動特點采取限位措施。

(3) 在試驗中由于橋墩損傷和剛度弱化，導致支座發生傾斜并在支座邊緣與主梁發生卡壓，支座的這種非正常工作狀態，在一定程度上對橋梁抗震是有利的。合理設置下部結構，可使橋梁在地震作用下獲得理想的破壞模式。

(4) 板式橡膠支座間的不均勻受壓會使結構產生扭轉效應，導致對稱軸線上構件的地震反應不同，導致部分橋墩或支座受力過大而提前失效，對橋梁抗震非常不利。在實際工程中，應保證施工質量盡量減少支座間的不均勻受壓。

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A study of the concrete continuous girder bridge shaking table test considering the sliding of laminated rubber bearings

WANG Kairui, XU Xiuli, LI Xuehong, LI Zhijun, TIAN Guowei, LIU Weiqing

(Department of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China)

The sliding of rubber bearings (RB) was a common phenomenon under seismic excitation, which causes a series of chain reaction, consisting of larger displacement of girder, collision among girders, and even girder falling. The sliding problem of RB was studied through experiments in this paper. The results show that: RB of typical highway bridges will slide less than the seismic load of fortification intensity. It is difficult to meet the requirements of ‘Guideline for Seismic Design of Highway Bridges’, which prescribes that RB is not allowed to slide under earthquake action. The upper surface of RB will slide earlier than the lower surface and the sliding frequency and extend are also greater for the upper surface. The sliding of RB has a certain isolation effect, which can effectively reduce the seismic response of the bridge. However, the isolation effect is unstable. The bearing lock-pressure caused by the large deformation of the lower part of the structure will prevent further expansion of the sliding displacement, which indirectly play a role in preventing the girder falling. The uneven pressures among the bearings will cause a local larger stress of some piers, which may lead to an earlier failure of piers during earthquake.

bridge; shaking table test; rubber bearing; slide; isolation

國家自然科學基金資助項目(51178220)；江蘇省交通運輸科技項目(2013Y12)；江蘇省科技支撐計劃(BE2014716)

2016-01-11 修改稿收到日期： 2016-03-20

王凱睿 男，博士生，1986年生

徐秀麗 女，博士，教授，碩士生導師，1963年生

U443.36+1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.012