新型钢阻尼滑板支座梁桥振动台模型试验研究

孔令俊，张银喜，夏樟华，曹志峰

(1．株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007;2．福州大学土木工程学院，福建福州350108)

新型钢阻尼滑板支座梁桥振动台模型试验研究

孔令俊1，张银喜1，夏樟华2，曹志峰1

(1．株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007;2．福州大学土木工程学院，福建福州350108)

为了探究新型钢阻尼滑板支座的减隔震效果，以一2跨桥面连续简支梁桥为工程背景，设计了振动台试验模型并开展三台阵振动台试验，比较研究了普通板式橡胶支座、高阻尼橡胶支座、钢阻尼滑板支座3种支座的减隔震效果。结果表明:地震动峰值较小时(E1地震作用)，钢阻尼滑板支座和高阻尼橡胶支座的减隔震效果接近，且均优于板式橡胶支座;地震动峰值越大(E2地震作用)，钢阻尼滑板支座的减隔震优势越突出，其减隔震效果优于高阻尼橡胶支座，且两者均优于板式橡胶支座。试验验证了钢阻尼滑板支座在桥面连续简支梁桥中减隔震性能的可行性。

钢阻尼滑板支座;振动台;试验研究;减隔震效果

板式橡胶支座具有结构简单、成本低廉、置换方便等优点，曾在公路中小跨径桥梁中普遍采用，但是根据支座病害调查结果，板式橡胶支座在使用过程中容易出现局部脱空、剪切变形超限等问题［1-3］。嗣后改进的四氟滑板橡胶支座是在普通橡胶支座表面附一层2～3 mm厚的聚四氟乙烯板［4］，聚四氟乙烯滑板橡胶支座有效地解决了梁体的位移问题，但这种支座不易控制梁体与支座间的相对位移。借鉴钢阻尼器的优点，文献［5］提出一种四氟乙烯滑板橡胶支座与钢阻尼器相结合的体系，即钢阻尼滑板支座，如图1所示。该支座结构简单、安装和更换方便、经济性好。为更好地验证钢阻尼滑板支座的减隔震性能，本文利用福州大学工程结构实验室的地震模拟振动台三台阵系统，完成了一2跨桥面连续简支梁桥振动台试验。试验比较研究了普通板式橡胶支座、高阻尼橡胶支座、钢阻尼滑板支座3种支座的减隔震效果，验证了钢阻尼滑板支座在桥面连续简支梁桥中减隔震性能的可行性。

1　振动台试验模型

1.1工程背景

拟建的书图大桥位于广东省潮安县凤塘镇，桥位属于冲积平原，地形平坦，地面标高约1.9～14.5 m。大桥上部结构为跨度25 m桥面连续简支梁桥，桥墩采用柱式墩，桥台采用座板台，联间采用D80伸缩缝。桥梁全长1 248.3 m。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)及《广东省潮州至惠州高速公路工程场地地震安全性评价报告》，桥址区地震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.15g，桥址区抗震设防类别为B类，抗震设防烈度按8度进行设防。试验采用跨度为25 m的桥面连续简支梁桥进行缩比振动台试验，试验桥跨为2跨。

图1　钢阻尼滑板支座体系结构

1.2模型设计

为了准确模拟原型结构的动力特性和动力反应，模型尽可能地采用与原型性能相近或相同的材料。桥面板采用C40混凝土制作，其尺寸长度按照1∶5的相似比进行缩尺设计，混凝土强度与实桥基本相同，配筋参照书图大桥桥面板的配筋情况。模型桥面板总长为5.1 m，宽为2.7 m，桥墩墩柱净高1.32 m，直径为0.27 m。为了将桥墩模型与振动台台面固定，在墩柱底端设置混凝土底座，其长宽高为2.4 m×0.72 m× 0.36 m，混凝土底座预留孔洞，孔位与振动台台面相应位置锚孔重合，试验时通过螺杆及螺母将混凝土底座与振动台台面固定。桥墩纵筋选用12螺纹钢筋，箍筋选用6光圆钢筋。试验模型如图2所示。

图2　试验模型

1.3相似关系

较大缩尺比的模型施工方便，尺寸效应的影响也相对较小，地震反应更加接近原型结构，因此缩尺比宜尽可能取大值;同时由于振动台承载能力、吊车起吊能力、试验场地大小等因素的限制，模型的缩尺比又应控制在一定的范围之内，因此需要选择合适的缩尺比以达到较理想的试验结果［6］。根据福州大学振动台系统的试验设备条件，本试验最终确定模型比例尺为1∶5，振动台试验设计相似常数如表1所示。

表1　振动台试验设计相似常数

1.4支座参数设计

本试验选用的支座包括普通板式橡胶支座、高阻尼橡胶支座、钢阻尼滑板支座，按照水平刚度相似原理，设计缩比模型用支座。试验模型所用3种支座参数分别见表2、表3、表4。

表2　钢阻尼滑板支座参数

表3　板式橡胶支座参数

表4　高阻尼橡胶支座参数

2　振动台试验

2.1振动台试验设备

试验在福州大学的地震模拟振动台上进行。该地震模拟振动台为三台阵系统(如图3所示)，该系统由3个振动台组成，中间大台(编号1#台)尺寸为4 m× 4 m，最大承载力为220 kN;两边2个小台(编号分别为2#台和3#台)尺寸均为2.5 m×2.5 m，最大承载力为100 kN。台面最大位移为±25 cm，台面满载最大加速度X向为1.5g、Y向为1.2g。2个小台可沿纵向导轨自由移动，使得系统最大工作长度达24 m。每个振动台均有水平双向和水平面内转动3个自由度［7］。振动波形可以是周期波、随机波或地震波，工作频率范围为0.1～50 Hz。

2.2振动台试验工况

结合研究内容、试验目的等，选取了4条人工波和3条具有代表性的天然地震波进行地震波输入，4条人工波分别为fen tang 1，fen tang 2，fen tang 3，fen tang 4; 3条天然地震波分别为El-Centro波、Tar-Tarzana波、Northridge波。加速度输入分别为E1地震作用和E2地震作用，加载方向为桥梁纵桥向、横桥向以及纵横桥向同时加载。每种支座的桥梁E1和E2地震作用工况个数均为65个。

3　试验结果及分析

试验对比分析了加速度、位移、应变等方面的内容，对普通板式橡胶支座、高阻尼橡胶支座和钢阻尼滑板支座在不同地震波下的减隔震性能进行了测试及对比分析。

3.1E2地震作用下桥面板加速度响应分析

3种支座的桥梁在E2地震作用下桥面板纵桥向最大加速度如图4所示。

由图4可见，随着输入地震波加速度的增大，3种支座桥梁桥面板加速度峰值差异越来越明显，E2地震作用下纵桥向普通板式橡胶支座桥梁桥面板加速度峰值达到4.063 m/s2，高阻尼橡胶支座桥梁次之，为3.914 m/s2，钢阻尼滑板支座桥梁最小，仅为2.734 m/s2。E2地震作用下横桥向3种支座桥梁的桥面板加速度峰值也具有相同的趋势。说明钢阻尼滑板支座随着地震波加速度峰值的增大，减隔震效果越明显，且优于普通板式橡胶支座和高阻尼橡胶支座。

图4　3种支座桥面板纵桥向最大加速度

3.2梁端位移响应分析(图5)

从图5可以看出随着地震动峰值增大，梁端位移也在增大。在E1及中间工况地震作用时3种支座梁端位移响应相差不大;当在E2地震作用下时，普通板式橡胶支座桥梁的梁端位移明显大于钢阻尼滑板支座和高阻尼橡胶支座桥梁。纵桥向普通板式橡胶支座桥梁的梁端位移为43.36 mm，钢阻尼滑板支座桥梁梁端位移为24.29 mm，高阻尼橡胶支座桥梁梁端位移为23.04 mm。另外，从横桥向不同工况下梁端位移看，钢阻尼滑板支座桥梁梁端位移明显小于普通板式橡胶支座和高阻尼橡胶支座。说明随着地震动峰值增大，钢阻尼滑板支座和高阻尼橡胶支座减隔震效果明显优于普通板式橡胶支座，钢阻尼滑板支座减隔震性能在桥梁横桥向表现得更好。

图5　不同工况下梁端位移对比

图6　不同工况下中墩墩底应变对比

3.3应变响应分析(图6)

图6(a)表明，各工况下，普通板式橡胶支座桥梁中墩墩底纵桥向应变响应明显高于钢阻尼滑板支座和高阻尼橡胶支座桥梁，且钢阻尼滑板支座桥梁的应变响应较高阻尼橡胶支座桥梁要小。E2地震作用时，普通板式橡胶支座桥梁墩底纵桥向应变响应为958× 10－6，钢阻尼滑板支座桥梁为606×10－6，高阻尼橡胶支座桥梁为853×10－6，说明钢阻尼滑板支座减隔震效果较好。图6(b)表明，各工况下，钢阻尼滑板支座和高阻尼橡胶支座桥梁墩底应变响应相差不大，均优于普通板式橡胶支座。E2地震作用时，普通板式橡胶支座桥梁墩底横桥向应变响应为609×10－6，钢阻尼滑板支座桥梁为471×10－6，高阻尼橡胶支座桥梁为466×10－6。

4　结论

地震动峰值较小时(E1地震作用)，钢阻尼滑板支座和高阻尼橡胶支座的减隔震性能要优于板式橡胶支座，钢阻尼滑板支座和高阻尼橡胶支座的减隔震效果接近;地震动峰值越大(E2地震作用)，钢阻尼滑板支座的减隔震优越性越突出，其减隔震效果优于高阻尼橡胶支座，且两者均优于板式橡胶支座。

［1］曹永占．桥梁板式橡胶支座的工程应用及问题探究［J］．交通世界，2010，9(5):230-231．

［2］李晓翔，张勇．公路桥梁板式橡胶支座典型病害及原因分析［J］．铁道建筑，2013(6):27-30．

［3］王延平．桥梁板式橡胶支座病害案例分析［J］．交通科技，2012，10(5):48-51．

［4］汪青杰，张延年，张军，等．冻融条件下四氟滑板橡胶支座受压性能研究［J］．土木工程学报，2014，47(1):130-135．

［5］王雷，陈政清，陈彦北，等．钢阻尼滑板支座体系在常规桥梁中应用探索［J］．世界地震工程，2014，30(4):147-150．

［6］杨旭东．振动台模型试验若干问题的研究［D］．北京:中国建筑科学研究院，2005．

［7］吴庆雄，黄育凡．钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁振动台阵试验研究［J］．工程力学，2014，31(9):89-96．

(责任审编 孟庆伶)

Research on New Steel Dam ping Slide Bearings of Girder Bridge w ith Shaking Table Test

KONG Lingjun1，ZHANG Yinxi1，XIA Zhanghua2，CAO Zhifeng1
(1．Zhuzhou Times New Material Technology Co．，Ltd．，Zhuzhou Hunan 412007，China; 2．School of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou Fujian 350108，China)

Seismic dissipation and isolation effect of a new steel dam ping slide bearing was analyzed in this paper．A two-span simp ly supported girder bridge with a continuous deck was taken as research background project．A shaking table test of the bridge model was conducted using a three-shaking table system．Three bearings were analyzed including ordinary laminated rubber bearing，high dam ping rubber bearing and steel dam ping slide bearing．The results show that when the earthquake dynam ic peak is small(E1 earthquake action)，seismic dissipation and isolation effects of steel dam ping slide bearing and high dam ping rubber bearing are close and outw eigh ordinary laminated rubber bearing．As the earthquake dynamic peak increases(E2 earthquake action)，steel dam ping slide bearing outweighs the other two bearings in terms of seismic dissipation and isolation effect．The experimental test verified the feasibility of application of steel dam ping slide bearing into simply supported girder bridges with a continuous deck．

Steel dam ping slide bearing;Shaking table;Experimental research;Seismic dissipation and isolation effect

U443.36+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．09

1003-1995(2016)11-0034-04

2016-08-19;

2016-09-20

孔令俊(1983—)，男，工程师，硕士。