新型横向钢阻尼装置用于斜拉桥的振动台试验研究

孔令俊，曹志峰，王雷，张银喜，陈彦北

（1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；2.广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州510507）

新型横向钢阻尼装置用于斜拉桥的振动台试验研究

孔令俊1，曹志峰1，王雷2，张银喜1，陈彦北1

（1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；2.广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州510507）

为了探究新型横向钢阻尼装置的减震性能，以一斜拉桥为工程背景，对4组桥墩进行了振动台试验，研究了新型横向钢阻尼装置对斜拉桥的横向减震作用。结果表明:新型横向钢阻尼装置体系比横桥向固结体系1阶频率低；新型横向钢阻尼装置体系相对横桥向固结体系能有效地减小关键点的位移及加速度峰值，且随着地震动的增强，位移和加速度的减震效果更加明显，是一种合理的减震体系。

新型横向钢阻尼装置；振动台试验；斜拉桥；减震性能

斜拉桥作为交通枢纽工程和生命线工程的重要部分，一旦在地震中发生破坏，将会造成较大的生命和财产损失［1-2］。因此，对大跨度斜拉桥的抗震性能进行全面而系统的研究特别重要。目前国内外的桥梁减震规范主要适用跨度＜150 m的桥梁，对于大跨度桥梁抗震没有可以依据的减震设计规范，应进行专门的地震试验研究［3-6］。国内外许多学者开展了众多斜拉桥振动台试验研究，唐光武等［7］对重庆朝天门长江大桥进行了振动模型试验，试验结果和计算结果吻合较好，验证了振动台试验的可靠性。高文军等［8］对单索面独塔斜拉桥进行了振动台模型试验，详细分析了试验结果，并将其与计算结果进行了比较。房贞政等［9］对三塔长跨斜拉桥进行了多维激励、多点激励振动台试验和研究。文献［10］对桥梁非线性地震反应进行了振动台试验。

本文以一斜拉桥为研究对象，在同济大学多功能振动台试验室进行大比例缩尺全桥模型振动台试验，研究斜拉桥横桥向合理减震体系及减震措施，即横桥向采用新型横向钢阻尼装置的减震效果。

1　工程概况

一斜拉桥是高速公路工程中重要的特大桥项目。该桥主桥桥型初步设计为中跨钢箱梁、边跨预应力混凝土箱梁的混合梁双塔双索面斜拉桥。根据设计要求，该斜拉桥主跨为360 m，跨径布置为（50+60+360 +60+50）m，主桥钢箱梁部分全长480 m，混凝土箱梁长（50+50）m，桥面宽35.5 m。主梁采用流线型扁平封闭箱梁，主塔为C50 H形混凝土塔，辅助墩、过渡墩均采用C40混凝土墩柱，桥址区减震设防烈度为7度。其中，主塔墩号为M3和M4，辅助墩墩号为M2和M5，过渡墩墩号为M1和M6。

2　振动台试验模型设计

2.1相似关系

振动台模型的设计、制作及加载应严格按照相似理论进行。在进行结构振动台试验相似设计时，由结构动力学的基本方程推得

式中：SE为弹性模量相似常数，对于混凝土SE=0.3，对于钢结构SE=1；Sρ为密度相似常数；Sa为加速度相似常数，考虑振动台模型与原桥梁在同一重力场中，故Sa=1；Sl为长度相似常数，根据试验设备条件，确定Sl=1/20。

根据式（1）确定Sρ=6，其余物理量的相似常数见表1。

表1　振动台模型试验相似常数

2.2模型结构设计

缩比模型的结构设计主要包括桥塔结构设计、主梁结构设计、配重设计、拉索设计及细部构造设计。该振动台试验全桥模型共制作了2个桥塔，根据刚度等效原则确定了桥塔主要断面尺寸以及桥塔模型的关键截面配筋情况。纵向钢筋采用φ6HRB335光圆钢筋，箍筋采用10#铅丝，混凝土保护层厚度10 mm。振动台试验共制作了4组桥墩，其中辅助墩和过渡墩各2组。桥墩模型设计应保证桥墩的侧向抗弯刚度、轴向刚度、抗扭刚度的相似关系满足要求。对原桥梁桥墩进行缩尺，模型过渡墩和辅助墩均设计为双柱式桥墩，墩柱净高1.9 m，墩柱尺寸为0.27 m×0.18 m，过渡墩墩柱中心距为0.84 m，辅助墩墩柱中心距为0.5 m。模型主梁根据抗弯刚度按相似比模拟，采用空心矩形断面，用10 mm厚钢板焊接拼装。

为了准确模拟实桥的惯性力和重力，仅靠桥塔、桥墩及主梁的自重并不足够，因此需要在模型上附加适当的分布质量。试验的配重设计主要包括桥塔的配重设计、桥墩的配重设计和主梁的配重设计，其中桥塔配重约为2 509.7 t，桥塔上、下横梁分别配重约625.4 t和938.1 t，桥墩配重625.4 t。

原斜拉桥共有48对斜拉索，为便于调整拉索的索力及满足斜拉索布置要求，试验采用并索处理，将拉索缩减至12对，斜拉索用10 mm钢丝绳模拟。

2.3支座及约束装置设计

斜拉桥主桥采用的支座为球型双向活动支座，横向约束装置为新型横向钢阻尼装置。试验采用四氟滑板橡胶支座模拟球型双向活动支座，见图1，设计参数见表2。

表2　四氟滑板橡胶支座设计参数

桥塔与主梁之间及桥墩与主梁之间的新型横向钢阻尼装置采用按相似比设计的阻尼装置，见图2，设计参数见表3。

图2　新型横向钢阻尼装置

表3　新型横向钢阻尼装置设计参数

3　试验工况

为掌握斜拉桥在横桥向地震作用下的地震响应特点，确定新型横向钢阻尼装置的减震效果，拟通过对横桥向2种体系进行振动台试验研究：体系H1是指新型横向钢阻尼装置体系，即在过渡墩、辅助墩及桥塔下横梁处均设置双向活动支座和新型横向钢阻尼装置；体系H2是指横桥向固结体系，即在过渡墩、辅助墩及桥塔下横梁处均设置双向活动支座，且在过渡墩、桥塔与主梁连接处横向固结。

结合典型斜拉桥场地条件、动力特性以及试验室振动台设备的输出性能，该试验振动台台面横桥向输入1条实际地震记录和1条人工地震动。选择1999年台湾集集地震所记录到的ChiChi波，该波记录持续时间长，并包含丰富的长周期成分；另1条人工波选择桥址处地震安全评价报告中提供的地震波（以下记为Site波）。将上述2条地震波的地面加速度峰值调整为0.1g，并按照时间相似常数St=0.223 6进行时间轴压缩以及峰值归一化调整。然后将峰值加速度逐级递增加载到试验模型上，并在地震工况前后输入白噪声，扫描模型动力特性变化。根据试验要求，体系H1中ChiChi波加载至0.5g，Site波加载至0.35g；体系H2中ChiChi波加载至0.4g，Site波加载至0.4g。

4　试验结果分析

将横桥向新型横向钢阻尼装置体系H1和横桥向固结体系H2的试验数据进行比较，包括结构动力特性、加速度反应以及位移反应，并给出横桥向新型横向钢阻尼装置的滞回耗能曲线。

4.1结构动力特性

对体系H1、体系H2进行的第1次和最后1次白噪声扫频试验得到的模型结构1阶频率进行对比，第1次均为1.50 Hz，最后1次均为2.63 Hz。2次白噪声扫频结果表明体系H1、体系H2的1阶频率均没有变化，说明结构并未发生损伤；体系H2中，由于桥塔及过渡墩处与主梁固结，增加了结构横桥向刚度，导致结构横桥向1阶频率增大；结构1阶振型发生变化，体系H1的1阶振型为主梁横向振动，而体系H2的1阶振型为主梁和主塔同时横向振动。

4.2加速度反应

在2条地震动作用下，2种约束体系塔柱顶部及主梁跨中横向最大加速度反应对比曲线分别见图3、图4。可以看出，在ChiChi波作用下，体系H2塔顶横向最大加速度反应大于体系H1，而在Site波作用下，体系H2塔顶横向最大加速度反应与体系H1差别不大；在ChiChi波及Site波作用下，体系H2主梁跨中横向最大加速度反应均大于体系H1。

图3　塔顶最大加速度反应对比曲线

图4　主梁跨中最大加速度反应对比曲线

4.3位移反应

在2条地震动作用下，2种约束体系主梁跨中最大位移反应、塔柱顶部最大位移反应对比曲线分别见图5、图6。在ChiChi波加载至0.5g时，体系H1新型横向钢阻尼装置超出工作范围，数据异常，故可以忽略。可以看出，在2条地震动作用下，体系H2塔柱顶部最大位移反应比体系H1明显增大；在ChiChi波作用下，体系H1主梁跨中最大位移反应均比体系H2有明显增大，而在Site波作用下，体系H2主梁跨中最大位移反应较大，这与地震波的频谱特性有关；随着峰值加速度的增大，位移反应的减震效果越加明显。

图5　塔顶最大位移反应对比曲线

图6　主梁跨中最大位移反应对比曲线

4.4新型横向钢阻尼装置滞回曲线

结合力传感器记录的阻尼装置力以及根据位移传感器记录的数据，计算得到塔、梁间相对位移，绘制了在输入2条地震动典型试验工况下阻尼装置力与位移滞回曲线，见图7。可以看出，当台面输入峰值加速度较大时，新型横向钢阻尼装置明显发生屈服，阻尼装置力与位移滞回曲线饱满，说明新型横向钢阻尼装置耗散了地震能量，起到了很好的减震效果。

图7　0.3g加速度新型横向钢阻尼装置力与位移滞回曲线

5　结论

1）用白噪声对结构进行扫频，识别了2种约束体系的1阶频率。体系H1、体系H2的1阶频率分别为1.50，2.63 Hz。

2）塔柱顶部加速度反应随加速度峰值增大呈线性增大，体系H2加速度峰值略大于体系H1，并与地震波频谱特性相关；主梁跨中加速度反应随加速度峰值增大而增速变缓，体系H2加速度峰值略大于体系H1。

3）结构关键点位移反应随峰值加速度增大呈线性增大，且体系H1的位移反应小于体系H2，说明全桥施加新型横向钢阻尼装置有利于减小桥梁结构的位移。

综上所述，斜拉桥横桥向采用新型横向钢阻尼装置相对横桥向固结体系可以有效地减小关键点（如塔顶、主梁）的位移及加速度峰值，且随着地震动的增强，位移和加速度的减震效果明显，是一种合理的减震体系。

［1］康小方.大跨度斜拉桥地震反应分析及减隔震研究［D］.合肥：合肥工业大学，2012.

［2］孔令俊，陈彦北，姜其斌.太白路桥减隔震设计分析［J］.铁道建筑，2012（9）：44-46.

［3］王雷，徐艳.钢阻尼装置应用于斜拉桥横向减震的试验研究［J］.世界地震工程，2015（4）：43-49.

［4］姜冲虎，杨博闻，李德建，等.独塔斜拉桥抗震分析及其合理约束体系研究［J］.铁道科学与工程学报，2014（6）：6-12.

［5］郭辉，李永强，胡所亭，等.主跨532 m公铁两用斜拉桥的地震响应及阻尼器减震效果研究［J］.铁道建筑，2015（1）：14-18.

［6］高文军，唐光武，黄福伟，等.厦漳跨海大桥北汊主桥振动台试验研究［J］.桥梁建设，2013，43（4）：7-12.

［7］唐光武，郑万山，郑罡，等.重庆朝天门长江大桥动力模型试验研究［J］.公路，2009（5）：146-151.

［8］高文军，牛松山，兰海燕.单索面独塔斜拉桥振动台模型试验研究［J］.公路交通技术，2010（2）：45-48.

［9］房贞政，张超，陈永健，等.基于三台阵振动台的多塔斜拉桥试验研究［J］.土木工程学报，2012（增1）：25-29.

［10］JOHNSON N，SAIIDI M，SANDERS D.Nonlinear Earthquake Response Modeling of a Large-scale Two-span Concrete Bridge［J］.Journal of Bridge Engineering，2009，14（6）：460-471.

（责任审编郑冰）

Shaking Table Test of Cable-stayed Bridge with New Lateral Steel Damping Device

KONG Lingjun1，CAO Zhifeng1，WANG Lei2，ZHANG Yinxi1，CHEN Yanbei1
（1.Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412007，China；2.Guangdong Highway Design Institute Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510507，China）

T o research a new lateral steel damping device on seismic dissipation performance，a cable-stayed bridge was taken as background project.Shaking table test was carried out on four groups of piers to study the transverse seismic dissipation effect of new lateral steel damping device on the cable-stayed bridge.T he results show that the primary frequency of new lateral steel damping system is lower than that of bridge transverse consolidation system. T he new lateral steel damping system can reduce the peaks of key points of displacement and acceleration more effectively.W ith the increase of earthquake motion，the damping effect is more apparent.It is proof that the new lateral steel damping system is reasonable.

Newlateralsteeldampingdevice；Shakingtabletest；Cable-stayedbridge；Seismicdissipation performance

U441+.3；U446.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.06

1003-1995（2016）10-0021-04

2016-05-20；

2016-08-03

孔令俊（1983—），男，工程师，硕士。