大中跨度橋梁雙向地震保護裝置設(shè)計與試驗研究

高 昊， 楊 俊， 王君杰， 顏海泉

(1. 中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027； 2. 上海材料研究所，上海 200437；3. 同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 4. 上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

大中跨度橋梁抗震設(shè)計中，出于對不同構(gòu)件抗震性能的差異化要求以及震后修復(fù)的難易程度等多方面的考量，采用各種類型的地震保護裝置作為一種可行的抗震技術(shù)途徑已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛認可[1-5]；另一方面，逐步積累的震害案例也間接或直接地檢驗了有關(guān)地震保護裝置的有效性。總體上，應(yīng)用于大跨度橋梁的地震保護裝置可分為兩類：一類是沿順橋向設(shè)置的既能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)日常運營狀態(tài)下梁體的伸縮變位，又能夠在震時狀態(tài)提供沿該方向阻尼力的速度型相關(guān)裝置；另一類是沿橫橋向設(shè)置的以鋼阻尼元件為代表的位移型相關(guān)裝置[6]。減隔震設(shè)計的大跨度橋梁下部結(jié)構(gòu)彈性無損傷或者有限損傷，這樣的抗震設(shè)防目標不僅對裝置提出了具備基于日常使用的“溫度位移大伸縮變位”的一般技術(shù)特征要求，還對裝置提出了面向地震使用的“抗震阻尼力大噸位”、“地震位移大行程”的專門技術(shù)特征要求。一般情況下，各類面向不同目標功能需求的裝置在不影響非設(shè)置方向其他元件或裝置力學(xué)行為的前提下，沿且只沿該設(shè)置方向發(fā)揮功能。如需實現(xiàn)雙向震動控制，則需要分別設(shè)置對應(yīng)裝置，相關(guān)應(yīng)用成本較高。

基于上述原因，本文提出一種用于滿足上述全部技術(shù)特征要求的雙向震動控制裝置，發(fā)揮位移型裝置技術(shù)優(yōu)勢的同時，又能降低有關(guān)速度型相關(guān)裝置的控制成本，通過組件多目標需求分項試驗以及總裝功能集成試驗多角度檢驗了裝置工作機制的可靠性，最后在論證了工程可實踐性分析的基礎(chǔ)上，進一步結(jié)合一個懸索橋案例，通過數(shù)值仿真技術(shù)手段，檢驗了裝置在地震過程中的力學(xué)行為，供有關(guān)設(shè)計人員參考選用。

1 目標需求提出與裝置構(gòu)造剖析

1.1 裝置的目標需求

總結(jié)引言中大跨度橋梁地震保護裝置的技術(shù)特征要求，進一步提煉出本文雙向震動組合裝置的目標需求與功能定位[7]。

(1) 要求能夠適應(yīng)日常使用中由于溫度等因素上部結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的伸縮變位，這種變位的數(shù)值對于大中跨度橋梁可能是幾十厘米，甚至更大。

(2) 裝置在地震作用下的減震耗能主體宜以力學(xué)行為可控性相對較強的位移型組件為主，如各種構(gòu)造形式的鋼阻尼元件，其中以各向力學(xué)行為均相同的形式為優(yōu)。

(3) 可通過速度型組件適應(yīng)梁體的溫度伸縮變位，但須進一步明確該類型組件在不同工程場景中的功能定位。

(4) 在力求保證裝置力學(xué)行為可預(yù)測的前提下，地震保護系統(tǒng)應(yīng)具備一定的超載運行能力。面向不確定性的地震荷載時，各組件之間宜存在一定的保險絲或者過載保護的設(shè)定邏輯關(guān)系。

1.2 裝置構(gòu)造剖析

圍繞前述的目標需求，提出了如圖1所示的雙向地震保護裝置，裝置從上至下依次由上頂板、推力板、速度相關(guān)組件、位移相關(guān)組件、下底板等部分構(gòu)成。

上頂板及速度相關(guān)組件的右耳座板均與梁體底部進行連接，下底板與塔(墩)頂部進行連接。上頂板、與上頂板一體化設(shè)計加工的橫向擋板、承托板共同構(gòu)成滑道系統(tǒng)，推力板可在此滑道系統(tǒng)中沿順橋向自由滑動。正常使用狀態(tài)，速度相關(guān)組件輸出的反力很小，梁體在溫度作用下絕大部分的伸縮變位通過此速度相關(guān)組件釋放，推力板幾乎沒有移位，位移型相關(guān)組件-榫結(jié)構(gòu)的變形很小，基本處于彈性工作狀態(tài)。地震作用下，激發(fā)速度相關(guān)組件的“剛性桿”工作狀態(tài)，沿順橋向，地震力通過速度相關(guān)組件傳遞至推力板，推力板通過自身內(nèi)置的圓形推力槽沿預(yù)設(shè)滑道系統(tǒng)的滑動方向迫使位移型相關(guān)組件-榫結(jié)構(gòu)發(fā)生彈塑性變形；沿橫橋向，地震力通過與上頂板一體化設(shè)計的橫向擋板構(gòu)造傳遞至推力板，推力板同樣通過自身內(nèi)置的圓形推力槽迫使位移型相關(guān)組件-榫結(jié)構(gòu)沿該方向發(fā)生彈塑性變形。因為推力板中內(nèi)置的推力槽為圓形，配合端部的球頭接觸構(gòu)造，榫結(jié)構(gòu)可沿任一方向提供阻尼力，一次性滿足大跨度橋梁順橋向和橫橋向兩個方向的抗震需求[8-9]。

2 閾值設(shè)定與參數(shù)示例

2.1 閾值設(shè)計原則

為了實現(xiàn)1.1節(jié)中裝置的目標需求，各相關(guān)組件在已設(shè)定邏輯關(guān)系下的臨界參數(shù)取值是關(guān)鍵問題。本文地震保護裝置中各組件的閾值確定遵循以下設(shè)計原則：

(1) 有別于以往的速度型相關(guān)組件，本裝置的速度型相關(guān)組件的臨界速度在能夠滿足日常使用下梁體自由伸縮而不受力的要求前提下，取值越小越好，這樣能夠保證地震過程中位移型相關(guān)組件更多的時刻進入塑性工作狀態(tài)[10-18]。

(2) 速度相關(guān)組件的最大承載力應(yīng)大于位移相關(guān)組件的最大屈服力，且宜存在不小于1.5倍的比值關(guān)系。這樣做有利于位移相關(guān)組件發(fā)生屈服后，實現(xiàn)對速度相關(guān)組件的過載保護。

2.2 裝置關(guān)鍵參數(shù)舉例

基于2.1節(jié)提出的閾值確定原則，本節(jié)結(jié)合具體的參數(shù)取值示例作進一步的闡釋說明，如表1所示列出了組合裝置的參數(shù)示例。

表1 組合裝置參數(shù)示例Tab.1 Example of device parameters

結(jié)合表1，正常使用狀態(tài)下，速度相關(guān)組件的運動速度一般小于臨界速度0.005 mm/s，位移相關(guān)組件-榫結(jié)構(gòu)處于彈性或非線性彈性狀態(tài)(速度相關(guān)組件輸出反力353 kN<位移組件等效屈服力360 kN)；地震作用下，相對速度絕大多數(shù)情況下大于該值，速度相關(guān)組件輸出的反力數(shù)值迅速達到或超過位移相關(guān)組件設(shè)計屈服力值，但由于位移相關(guān)組件發(fā)生屈服后，具備串聯(lián)特征的工作體系輸出反力已達上限，該上限值為位移組件最大屈服力680 kN，即使是再大的地震相對速度，速度相關(guān)組件也會是安全運載的，因為其超載運行能力為755 kN>體系輸出反力680 kN。關(guān)于上述速度相關(guān)組件的具體技術(shù)實現(xiàn)，可以是速度鎖定器，亦可以是滿足要求的液體黏滯阻尼器。

3 組件多工程場景分項試驗檢驗

本章介紹檢驗速度相關(guān)組件在日常使用和地震過程中工作性能的試驗，所選用的組件類型為液體黏滯阻尼器，重點為分別考察其慢速、快速工況下的試驗行為[19]。

3.1 試件加工

基于與表1中速度組件相同的目標抗震參數(shù)，液體黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)600(kN/(mm/s)0.1)，阻尼指數(shù)為0.1，對應(yīng)的有關(guān)其他目標抗震參數(shù)如表2所示。

表2 液體黏滯阻尼器目標抗震參數(shù)Tab.2 Parameters of speed related component

3.2 試驗裝置

試驗在高速阻尼裝置試驗臺架系統(tǒng)進行，液體黏滯阻尼器兩端分別通過銷軸與試驗機進行聯(lián)結(jié)，如圖2所示。

3.3 試驗方案與過程

3.3.1 單調(diào)勻速加載試驗

該試驗?zāi)康氖菧y試液體黏滯阻尼器在不同加載速率下、勻速加載時的力學(xué)行為。工況有：0.005 mm/s，0.05 mm/s，0.1 mm/s (目標臨界速度)，1 mm/s，2 mm/s。該試驗主要是模擬橋梁結(jié)構(gòu)在正常運營狀態(tài)下的溫度作用，關(guān)于溫度作用下梁體的伸縮速率一般認為小于0.1 mm/s，這里選取0.005 mm/s，0.05 mm/s作為代表工況[20]；同時，檢驗速度液體黏滯阻尼器超過設(shè)計臨界速度時的超載能力，即1 mm/s和2 mm/s對應(yīng)的工況。

3.3.2 循環(huán)正弦加載試驗

該試驗?zāi)康氖牵簻y試液體黏滯阻尼器在采用不同正弦波加載時的力學(xué)行為。平均加載速度分別為：0.05 mm/s， 0.1 mm/s (目標臨界速度)，1 mm/s，選取目的同3.3.1節(jié)。

數(shù)據(jù)采集：采用作動器的力傳感器對荷載數(shù)據(jù)進行采集，頂桿式位移計對液體黏滯阻尼器的相對位移進行采集，測點布置見圖2。

3.4 試驗結(jié)果與分析

液體黏滯阻尼器的試驗曲線如圖3所示，單調(diào)勻速加載試驗：目標臨界速度0.1 mm/s下，指定位移內(nèi)對應(yīng)的最大反力值為542 kN，與表2中設(shè)計值相差14%；溫度作用下的代表速度0.005 mm/s，0.05 mm/s對應(yīng)的最大反力值分別為123 kN和393 kN；超載運行下的代表速度1 mm/s，2 mm/s對應(yīng)的最大反力值分別為639 kN和715 kN，且超載運行時，液體黏滯阻尼器并未發(fā)生泄漏、變形現(xiàn)象。

循環(huán)正弦加載試驗中的力值與單調(diào)勻速加載試驗相接近。速率越大，液體黏滯阻尼器的力-位移曲線越“狹長”；速率越小，其力-位移曲線越“飽滿”。

4 總裝功能集成試驗檢驗

試驗?zāi)康氖茄芯拷M合裝置在地震作用下的工作機制，檢驗閾值確定的是否合理、裝置是否滿足設(shè)定的目標需求。

4.1 試件加工

組合裝置中速度相關(guān)組件的設(shè)計和選用同3.1節(jié)，位移相關(guān)組件的設(shè)計和選用同Gao等的研究，該榫結(jié)構(gòu)底部直徑為178 mm，頂部直徑92 mm，其極限位移為360 mm所對應(yīng)的最大阻尼力為340 kN，所試驗平行試件的數(shù)量為2個。

4.2 試驗裝置

組合裝置試驗借助于實驗室地錨、反力架，配合定制的滑塊和導(dǎo)軌系統(tǒng)完成。如圖4所示，榫結(jié)構(gòu)底部通過地錨螺栓與實驗室地面連接，頂部球頭置于與加載板自身內(nèi)置的推力槽中，加載板通過液體黏滯阻尼器與作動器連接，且加載板上方依附于與大梁連接的導(dǎo)軌-滑塊系統(tǒng)，因此加載板沿且只能沿指定滑動方向運動。

4.3 試驗方案與過程

參考JT/T 843—2012《公路橋梁彈塑性鋼減震支座》[21]，考慮到作動器位移能力及組合裝置中液體黏滯阻尼器可能存在的變形，試驗按規(guī)范中標準位移-載荷試驗?zāi)Ｊ教剿鬟M行。若試驗結(jié)束后，榫結(jié)構(gòu)仍未出現(xiàn)斷裂及裂紋，則根據(jù)情況適當(dāng)提高加載速率。

組合裝置的具體試驗過程相關(guān)照片，如圖5所示。

4.4 試驗結(jié)果與分析

組合裝置中榫結(jié)構(gòu)球頭處的力-位移曲線，如圖6所示。榫結(jié)構(gòu)的試驗曲線相對飽滿，液體黏滯阻尼器的力-位移曲線呈針狀，幾乎沒有相對位移，相當(dāng)于一根剛性連桿。這是因為在本文閾值設(shè)定原則下速度相關(guān)組件的臨界速度相對較小(0.1 mm/s)，即使在快速工況下，其相對位移也會很小。需要特別說明的是：榫結(jié)構(gòu)的力-位移曲線上的“毛刺”現(xiàn)象，是由于試驗加載速率過快，與元件連接的底座發(fā)生了松動而引起的，試驗后期通過兩件千斤頂加固后，該現(xiàn)象一定程度上得到緩解。

組合裝置中速度相關(guān)組件不同速度下的力-位移曲線，如圖7所示。對于#1號試件，在2 mm/s和200 mm/s的加載速率下，其力-位移曲線比較接近，均呈現(xiàn)為狹長的針狀；#2號試件的情況與#1號試件類似，液體黏滯阻尼器在兩種加載速率下的響應(yīng)差異很小。使用不同加載速率(速率區(qū)間為8～250 mm/s)對組合裝置進行加載時，液體黏滯阻尼器均在臨界速度0.1 mm/s附近緩慢運動，運動幅值均控制在±10 mm以內(nèi)，絕大部分的變形都由榫結(jié)構(gòu)承擔(dān)完成，這使得裝置的力學(xué)行為更加穩(wěn)定，可控性更強。另外，這種耗能機制使得組合裝置的速度相關(guān)組件一般不需要很大的位移沖程，極大降低了裝置的生產(chǎn)成本。因此相對于順橋向采用液體黏滯阻尼器，橫橋向采用鋼阻尼裝置分別進行震動控制的傳統(tǒng)方案，本文組合裝置的經(jīng)濟性更強。

5 工程可實踐性分析與橋例論證

筆者調(diào)研了國內(nèi)數(shù)座大中跨度橋梁塔-梁之間可供地震保護裝置安裝的空間信息，如表3所示。表3中的平面信息考慮了墊石構(gòu)造等因素，實際情況中可供安裝的平面空間可能會更加富裕，所以此處數(shù)值僅作參考。但可以明確的是：對于大中跨度橋梁，如斜拉橋或懸索橋等，一般情況下都會有1 m及以上的豎向空間供支承連接裝置使用。本文的組合裝置也因此具備較好的空間普適性，去滿足絕大部分大中跨度橋梁的雙向震動控制需求。

表3 大中跨度橋梁地震保護裝置安裝空間信息Tab.3 Spatial information of installation for seismic protection device for large and medium span bridge

值得指出的是：上述多數(shù)斜拉橋和懸索橋工程案例，沿順橋向，由于主梁的溫度伸縮移位需求，多數(shù)的塔(墩)和梁之間設(shè)置為滑動摩擦約束體系；沿橫橋向，支座一般設(shè)置有剪力銷構(gòu)造，以保證正常使用狀態(tài)下，為一固定約束體系，以提供連接系統(tǒng)沿該方向的必要的強度和剛度，地震來臨時，支座的剪力銷構(gòu)造發(fā)生剪斷，此時的塔(墩)和梁之間處于一種滑動摩擦約束狀態(tài)，以使得設(shè)置在二者之間的阻尼裝置發(fā)生彈塑性變形來耗散地震能量[22-23]。為進一步論證本文雙向地震保護裝置的工程可實踐性和技術(shù)可行性，本章以一座如圖8所示的主跨485 m的單跨組合梁懸索橋作為案例，通過數(shù)值仿真的技術(shù)手段，分析和驗證本文裝置在地震作用過程中的工作機制和功能表現(xiàn)。

基于Midas Civil計算平臺[24]，建立了如圖9所示的有限元模型。模型中，相應(yīng)的速度相關(guān)組件和位移相關(guān)組件分別通過一般連接特性值中的黏彈性消能器和滯后系統(tǒng)進行模擬，在左右橋塔橫梁處分別建立塔與主梁的邊界連接關(guān)系。相關(guān)設(shè)置參數(shù)如下：液體黏滯阻尼器：消能器阻尼Cd=600，阻尼指數(shù)s=0.1；榫結(jié)構(gòu)：等效屈服強度Fy=420 kN，屈服后剛度與彈性剛度之比r=0.025。上述參數(shù)下，模擬的是一根速度組件與兩根位移組件組合使用的情況。正常使用狀態(tài)，假定案例橋梁日溫差為30 ℃，則梁體的伸縮距離為1×10-5×30×485/2≈0.073(m)，梁體的日平均伸縮速率約為0.000 8 mm/s，該速率下速度組件輸出的反力值為600×0.000 80.1≈294 kN，小于兩根位移組件初始屈服力之和360 kN，即鋼阻尼元件不會發(fā)生彈塑性變形，梁體的日常移位需求均由速度組件提供，符合組合裝置的設(shè)計目標。計算時，地震動激勵采用1940-El Centro-Site 加速度記錄，進行三向地震動輸入，時間歷程為53 s，以進行本文裝置減震效果的檢驗。

組合裝置在地震動作用下沿順橋向和橫橋向的力-位移曲線，如圖10所示。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，沿順橋向，裝置可以如快速工況中的試驗力學(xué)行為一樣，按照設(shè)定的功能目標發(fā)揮作用，速度相關(guān)組件大多數(shù)情況下處于一種“鎖定狀態(tài)”，進而由位移相關(guān)組件產(chǎn)生彈塑性變形，耗散部分地震能量，控制關(guān)鍵的位移在可接受的范圍之內(nèi)。另一方向(橫橋向)，憑借榫結(jié)構(gòu)的圓形截面各向力學(xué)行為均相同的構(gòu)造優(yōu)勢，位移型相關(guān)組件同樣表現(xiàn)出了較好的控制效果。相關(guān)的數(shù)據(jù)支撐情況如表4所示。

表4 采用裝置前后結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置地震響應(yīng)情況Tab.4 Seismic response of key position of structure before and after installation

觀察表4，對于該橋例，采用本文裝置后，沿順橋向，塔柱關(guān)鍵位置處的剪力響應(yīng)最大減小了73%，彎矩響應(yīng)最大減小了35%；橫橋向的減震效果雖不如順橋向的情況，剪力響應(yīng)最大減小了15%，彎矩響應(yīng)最大減小了13%，但相比于固定體系，仍有效降低了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，一定程度上避免了塔柱遭受地震損傷。綜前所述，本文提出的組合裝置具備同時提供兩個方向橋梁結(jié)構(gòu)震動保護的功能，且不同目標參數(shù)的產(chǎn)品，均可通過不同數(shù)量和不同形式的阻尼組件靈活組合實現(xiàn)，為大中跨度橋梁的減隔震設(shè)計提供了簡單、可行、有效的技術(shù)途徑。

6 結(jié) 論

從大中跨度橋梁的日常使用和震動控制需求出發(fā)，提出了一種雙向地震保護裝置，在詳細剖析裝置整體構(gòu)造和分項組件構(gòu)造的基礎(chǔ)上，配套介紹了各組件相關(guān)閾值的設(shè)定原則和取值方法，通過足尺單元的分項試驗和總裝功能集成試驗技術(shù)手段，檢驗了裝置在慢速和快速工況下的真實力學(xué)行為。進一步地，通過數(shù)值仿真的技術(shù)手段，模擬檢驗了裝置在地震工況下的地震力學(xué)行為，得到以下有益的結(jié)果和結(jié)論：

(1) 揭示了裝置能夠滿足日常使用和地震作用多工程場景目標需求的工作機制，剖析了圓形截面位移相關(guān)型組件-榫結(jié)構(gòu)在發(fā)揮各向同性力學(xué)行為時的構(gòu)造細節(jié)處理方式。

(2) 提出了速度型組件的臨界速度的取值方法。在能夠滿足日常使用情況下梁體自由伸縮而不受力的要求前提下，取值越小越好，通常在0.1 mm/s以下；指出了速度型組件的極限承載力相對于位移型組件的最大屈服力要留有不小于1.5倍的過載保護系數(shù)。

(3) 慢速工況、快速工況的試驗結(jié)果表明——本文所設(shè)定的參數(shù)取值下，速度型組件(液體黏滯阻尼器)能夠滿足結(jié)構(gòu)對裝置提出的日常使用和地震作用過程中的功能要求；位移型組件(榫結(jié)構(gòu))在多重快速工況下均能夠產(chǎn)生較為飽滿的滯回曲線，具備較強的可控性。

(4) 通過數(shù)值仿真的技術(shù)手段驗證了裝置在地震作用下的工作機制和功能效果，基于與試驗組件相同構(gòu)造參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果表明——裝置在地震過程中的力學(xué)行為能夠做到和快速工況的試驗結(jié)果一樣，按照預(yù)期實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)震動控制。