許永吉，卓衛(wèi)東，孫 穎

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116;2.福建省路港工程咨詢有限公司，福建 福州 350002)

基于振動臺試驗的兩跨連續(xù)斜交梁橋地震響應(yīng)研究

許永吉1, 2，卓衛(wèi)東1，孫 穎1

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116;2.福建省路港工程咨詢有限公司，福建 福州 350002)

以福建省公路橋梁為工程背景，設(shè)計制作一個系列共9個1/5縮尺兩跨連續(xù)混凝土斜交梁橋試驗?zāi)Ｐ?選取斜度、配箍率和軸壓比等設(shè)計參數(shù)，利用正交試驗分析方法，進(jìn)行振動臺試驗.試驗中對兩跨連續(xù)斜交梁橋進(jìn)行單向和雙向地震動輸入下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析，研究斜交梁橋地震響應(yīng)及震害特點(diǎn).試驗結(jié)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(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)差別均較大；僅考慮單因素變化時，斜度越小、軸壓比越小或長細(xì)比越大，結(jié)構(gòu)的加速度和位移響應(yīng)越大.從試驗可知，在斜交橋設(shè)計中，合理選擇幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)對橋梁動力性能有很大的影響.

兩跨斜交梁橋；振動臺試驗；地震響應(yīng)分析；參數(shù)分析

0 引言

斜交梁橋具有較好地滿足路線設(shè)計的線形要求、縮短線路, 從而達(dá)到節(jié)省投資、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來在國內(nèi)外高等級公路、擁擠的城市區(qū)域和立交結(jié)構(gòu)中得到較多應(yīng)用.據(jù)不完全統(tǒng)計，在國內(nèi)高速公路的一些路段上斜交梁橋的數(shù)量有時可以達(dá)到整條線路橋梁總數(shù)的40%～50%[1].

迄今為止，國內(nèi)外眾多研究者對斜交梁橋抗震性能進(jìn)行參數(shù)分析，試圖了解主要設(shè)計參數(shù)對斜交梁橋地震響應(yīng)的影響[2-9]，其中對斜度的參數(shù)分析最為廣泛.Maleki[2-5]利用剛體模型對單跨簡支鋼-混凝 土斜交梁橋進(jìn)行了分析，結(jié)果表明當(dāng)斜度大于45°時，地震反應(yīng)可以達(dá)到正交橋的兩倍或更多；卓秋林[10]建立斜交橋的有限元模型并對其進(jìn)行地震響應(yīng)模擬分析，結(jié)果表明斜度大于30°時，墩底地震內(nèi)力和梁體位移隨斜度的增大而增大，而且增幅伴隨橋墩高度增加而增大；鄧志榮[11]也利用數(shù)值模擬的方法得到類似的結(jié)論，分析得到斜度25°為響應(yīng)變化的臨界值；王軍文等[12]采用模態(tài)分析法和時程分析法計算了斜交簡支梁橋的動力特性以及非線性地震響應(yīng)，分析表明對于橡膠支座支承的斜交簡支梁橋，斜度是影響梁體轉(zhuǎn)角的重要因素.石巖等[13]建立有限元模型，分析了橋墩位移與斜交橋斜度的關(guān)系，隨著斜度的增大，橫橋向橋墩位移增大，而縱橋向橋墩位移則先增后減.從一系列的研究可知，斜交因素放大了斜交梁橋的地震反應(yīng)，使斜交橋的地震反應(yīng)分析比正交橋更為復(fù)雜.

綜上可知，一方面，在對斜交梁橋地震反應(yīng)規(guī)律性的認(rèn)識中，不同結(jié)構(gòu)形式所考慮的影響因素并不全面，取得研究成果也相對較零散，缺乏系統(tǒng)性，因此得到的分析結(jié)果具有一定的局限性，難以直接指導(dǎo)實踐.另一方面，目前大部分對斜交梁橋的地震響應(yīng)分析均僅停留在數(shù)值分析方法上，缺乏試驗的驗證，因此，對斜交梁橋開展振動臺模型試驗研究十分必要.通過系統(tǒng)的振動臺模型試驗研究，明確斜交梁橋的地震反應(yīng)規(guī)律，為今后地震反應(yīng)分析方法的選取、抗震構(gòu)造設(shè)計及規(guī)范編制提供參考.

1 地震模擬振動臺試驗s

斜交梁橋振動臺試驗采用福州大學(xué)海峽兩岸土木工程防震減災(zāi)工程研究中心的地震模擬振動臺三臺陣系統(tǒng)，可以實現(xiàn)三臺獨(dú)立模式、異步模式、以及三臺關(guān)聯(lián)運(yùn)動的臺陣工作模式.該振動臺主要技術(shù)參數(shù)為：中間大臺的臺面尺寸為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1.5g、Y向1.5g，兩側(cè)小臺X向1.5g、Y向1.2g；工作頻率范圍為0.1～50 Hz.

1.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

試驗以公路典型兩跨連續(xù)斜交梁橋為研究對象.采用量綱分析法來進(jìn)行試驗?zāi)Ｐ偷南嗨票仍O(shè)計，盡可能保證結(jié)構(gòu)模型材料的相似性，即保證模型材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、破壞強(qiáng)度與彈性模型與原型結(jié)構(gòu)相似，同時考慮實驗室振動臺的臺面尺寸、承重能力及臺面距離等條件，確定模型縮尺比例取1/5，采用原型材料制作模型，加速度相似比取為1 ∶1，具體的相似常數(shù)如表1所示.根據(jù)試驗相似系數(shù)，確定模型橋總長為10.4 m，兩跨等跨連續(xù)布置，橋?qū)?.1 m，板厚0.25 m.中間設(shè)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(shù)Tab.1 Similar constants of model

在歷次破壞性地震調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，斜交梁橋上部結(jié)構(gòu)及橋臺破壞微小，破壞主要集中在橋墩、蓋梁及支座等構(gòu)件，因此，橋面系和橋臺在試驗過程中可以視為剛體.試驗對橋面系和橋臺均采用保守設(shè)計，上部結(jié)構(gòu)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25 cm，采用C25混凝土，主筋采用8Φ10的HRB335鋼筋，沿截面對稱配筋，箍筋采用直徑6 mm的HPB235鋼筋.橋臺采用鋼格構(gòu)柱-混凝土板組合橋臺.蓋梁采用C25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.

圖1 模型橋梁總體布置圖(單位：cm)Fig.1 Layout of the model bridge(unit：cm)

1.2 試驗參數(shù)設(shè)計

根據(jù)試驗情況，選取斜度、墩柱軸壓比、長細(xì)比3個因素作為主要影響因素，根據(jù)所選取的影響因素，考慮單向地震輸入(X向、Y向)、雙向地震輸入(XY向)，利用正交性，確定了各試件的設(shè)計參數(shù)，具體如表2所列.

表2 斜交梁橋試驗因素水平表Tab.2 Table test factors and levels

1.3 試驗?zāi)Ｐ团渲卦O(shè)計及測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)幾何相似條件定出的模型結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用與原型相同的材料時，上部結(jié)構(gòu)重量明顯不足，處于失真狀態(tài)，需要通過增加配重方式給予消除，配重設(shè)計屬于欠質(zhì)量模型.模型配重布置見圖2所示.

為了量測斜交橋在各種地震波激勵下的地震響應(yīng)，在模型各關(guān)鍵部位分別布置了傳感器，測點(diǎn)布置及說明見圖3所示.在橋面板一側(cè)的銳角處和鈍角處各設(shè)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和底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(yù)埋了應(yīng)變片，用以測量鋼筋的縱向應(yīng)變.

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

圖3 模型測點(diǎn)布置圖Fig.3 Model of measuring point arrangement

1.4 試驗?zāi)Ｐ蛣恿μ匦苑治?/p>

在每次輸入地震動之前均對全橋模型進(jìn)行白噪聲掃略，觀察白噪聲對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，試驗過程發(fā)現(xiàn)白噪聲對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響較小，約為實際地震響應(yīng)的2%，說明白噪聲對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響是可以忽略的.通過白噪聲掃略明確結(jié)構(gòu)的動力特性，利用振動臺自帶的瑞典DEWESoft數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲得各加速度測點(diǎn)的時程數(shù)據(jù)，最后利用頻域傳遞函數(shù)求得模型體系的自振頻率為4.512 Hz，而理論計算得到的模型的自振頻率為4.58 Hz，誤差為1.5%.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(fā)現(xiàn)功率譜覆蓋范圍較廣，可以很好地激發(fā)出全橋的各個模態(tài).

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.5 White noise spectrum

2 試驗結(jié)果及分析

利用數(shù)理統(tǒng)計中的極差分析法對正交試驗結(jié)果進(jìn)行處理[14].由于篇幅的限制，僅從兩類場地10種地震波工況中挑選響應(yīng)較大的1種工況進(jìn)行正交試驗地震響應(yīng)分析[15]，分別是I類場地的Chi-Chi波、II類場地的San Fernando波，每種地震波均考慮單向地震輸入(X向、Y向)和雙向地震輸入(XY向)，所有輸入的地震動工況，均根據(jù)相似關(guān)系進(jìn)行時間壓縮，彈性階段加速度峰值均為0.05g.圖6列出Chi-Chi波沿縱橋向輸入時，橋面板左端和墩頂縱橋向加速度響應(yīng)實測記錄曲線.

圖6 結(jié)構(gòu)在Chi-Chi波輸入下加速度響應(yīng)時程曲線Fig.6 Acceleration time history response curve in the Chi-Chi wave

2.1 加速度響應(yīng)分析

分別對兩類場地中兩種地震波的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果匯總于表3、4.

表3 I類場地Chi-Chi波正交試驗加速度響應(yīng)極差分析Tab.3 Acceleration response range of orthogonal test analysis in I site Chi-Chi wave

表4 II類場地正交試驗加速度響應(yīng)極差分析Tab.4 Acceleration response range of orthogonal test analysis in II site San Fernando wave

表中K值表示各因素各水平下加速度的平均值，平均值大小反映同一個因素的各個不同水平對加速度影響的大小，并以此確定該因素的最佳水平.為了方便讀者查看，已將表3、4中K值的最大值加黑顯示.表中R值表示同一因素各水平下平均提取量的極差，極差越大表示該因素的水平變動對試驗結(jié)果(加速度)的影響越大.從表3、4正交試驗加速度結(jié)果分析可以看出：

1) 對表中極差R進(jìn)行分析，可以得到各因素對加速度影響的主次順序依次為長細(xì)比、斜度、軸壓比，也就是說當(dāng)其他兩個因素在一定范圍內(nèi)時，長細(xì)比的變化對加速度響應(yīng)影響最大.

2) 對表3中因素斜度K值進(jìn)行分析，X向地震波X向響應(yīng)與Y向響應(yīng)、Y向地震波Y向響應(yīng)、XY向地震波X向響應(yīng)與Y向響應(yīng)均體現(xiàn)K1最大，對表4中因素斜度K值進(jìn)行分析，X向地震波X向響應(yīng)與Y向響應(yīng)、Y向地震波X向響應(yīng)、XY向地震波Y向響應(yīng)均體現(xiàn)K1最大，在軸壓比和長細(xì)比不變時，斜度15°時加速度響應(yīng)最大.

3)對表3中因素軸壓比K值進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在I類場地Chi-Chi波作用下，K值分布較為離散，沒有一定的規(guī)律性，但是II類場地San Fernando波作用K值體現(xiàn)出較好的規(guī)律性，從表4中軸壓比K值可以看出，X向地震波X向響應(yīng)、Y向地震波X與Y向響應(yīng)、XY向地震波X向與Y向響應(yīng)均體現(xiàn)K1最大，在斜度和長細(xì)比不變時，軸壓比越小，橋面板和墩頂?shù)募铀俣软憫?yīng)越大.

4)對表3、4中因素長細(xì)比K值進(jìn)行分析可以看出，兩種波作用下長細(xì)比對加速度的影響體現(xiàn)出良好的規(guī)律性，在斜度和軸壓比不變的情況下，長細(xì)比越大橋面板和墩頂?shù)募铀俣软憫?yīng)均越大.

2.2 位移響應(yīng)分析

對兩類不同場地類別地震動作用下模型結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)進(jìn)行分析，考察不同場地條件、不同波及不同模型參數(shù)對結(jié)構(gòu)地震位移響應(yīng)的影響.從試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，橋面板的位移響應(yīng)峰值較墩頂位移峰值小得多，主要原因是板式橡膠支座的隔震較顯著，大大減小了橋面板的地震響應(yīng).而且由于三臺振的地震激勵沒有完全的一致性，造成橋面板發(fā)生一定的扭轉(zhuǎn)，而且橡膠支座的存在也對橋面板的位移響應(yīng)造成一定的影響，使得橋面板位移響應(yīng)離散性較大，整體沒有明顯的規(guī)律性.因此僅分析橋墩頂部在I類場地Chi-Chi波和II類場地San Fernando波作用下的位移響應(yīng)，分析結(jié)果見表5.表5中加黑數(shù)字為K值的最大值.

表5 正交試驗墩頂位移響應(yīng)極差分析Tab.5 Displacement response range of orthogonal test analysis

通過分析表5的數(shù)據(jù)，可以得到如下結(jié)論：

1) I類場地Chi-Chi波作用下K值普遍較II類場地San Fernando波作用下的大，說明Chi-Chi波作用下位移響應(yīng)較大；

2) 從表5中極差R可以看出，長細(xì)比是影響墩頂位移響應(yīng)最顯著的因素；

3) 分析表5中K值，可以發(fā)現(xiàn)和加速度響應(yīng)有類似的規(guī)律，任意交互作用的兩個因素固定，斜度越小、軸壓比越小、長細(xì)比越大，墩頂位移響應(yīng)越大.

3 結(jié)論

通過對160座在役公路斜交梁橋進(jìn)行統(tǒng)計分析，合理地設(shè)計了兩跨斜交橋試驗?zāi)Ｐ?，在福州大學(xué)三臺陣振動臺系統(tǒng)上開展了兩跨連續(xù)斜交梁橋的一致激勵振動臺試驗，主要得到以下結(jié)論.

1) 通過對兩跨連續(xù)斜交梁橋進(jìn)行一致激勵振動臺試驗，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加速度峰值均為0.05g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(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)差別較大；20條地震動中，Chi-Chi波輸入下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)最為強(qiáng)烈; 在各條地震動輸入下，結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)任何裂縫及支座滑動、變形情況，結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段.

2) 針對斜度、軸壓比和長細(xì)比的參數(shù)分析試驗表明，在相同軸壓比和長細(xì)比時，斜度越小，橋面板和墩頂?shù)募铀俣?、墩頂?shù)奈灰祈憫?yīng)越大；在相同斜度和長細(xì)比時，軸壓比越小，橋面板和墩頂?shù)募铀俣取⒍枕數(shù)奈灰祈憫?yīng)越大；在相同軸壓比和斜度時，長細(xì)比越大，橋面板和墩頂?shù)募铀俣?、墩頂?shù)奈灰祈憫?yīng)越大.依此可以說明，在斜交橋設(shè)計中，合理選擇參數(shù)對橋梁動力性能至關(guān)重要.

3) 從兩種地震波加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)正交分析結(jié)果來看，三種因素中長細(xì)比極差最大，說明當(dāng)斜度在一定范圍內(nèi)時，長細(xì)比對斜交橋的動力性能影響最顯著.

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(責(zé)任編輯：洪江星)

Seismic response research of a two-span continuous skew girder bridge by the shaking table test

XU Yongji1, 2, ZHUO Weidong1, SUN Ying1

(1.College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China;2.Fujian Provincial Highway & Port Engineering Consulting Co Ltd，F(xiàn)uzhou, Fujian 350002, China)

Taking a skewed girder bridge of Fujian for engineering background, designing a total of nine with 1/5 scale models of two-span continuous skewed girder bridge for the shaking table experiment.The shaking table experiment was using orthogonal test analysis method, which based parameters such as skew angle, shear span ratio, reinforcement ratio and axial compression ratio.The seismic response rules and destroy characteristic of two span continuous skew girder bridge with a single direction and two way dimensional seismic wave input was studied.Results of shaking table test showed that the structural acceleration response and displacement response were different under different types of ground motion and the same site category but with different seismic action.When the single factor was considered, the smaller the skew angle and the smaller axial compression ratio or the greater the slenderness ratio, the larger the acceleration and the displacement response of the structure.From the experimental results, the reasonable choice of geometrical parameters and mechanical parameters has great influence on the dynamic performance of the bridge in the skew bridge design.

two-span continuous skew bridges; shaking table model test; seismic response analysis; parameters analysis

2015-09-06

許永吉(1980-)，高級工程師，主要從事橋梁地震分析，civil0518@163.com

國家青年基金資助項目(51208112)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0443

1000-2243(2016)04-0443-07

U448.212

A