基于预压限位装置的新型桥梁减隔震体系的研究

郑万山，谢皓宇，高文军，刘怀林，唐光武

(1.桥梁工程结构动力学国家重点实验室，重庆 400067; 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

减隔震的概念最早出现在19世纪[6]，在当时是一种用于建筑领域的新技术。自那以后出现了大量有关减隔震概念的研究，并产生了一系列基于不同原理的装置被广泛地应用于建筑[10]、桥梁[18]、隧道[8]，以调整目标结构的地震响应。这些减隔震装置的研究包括但不限于：Buckle[2]等关于隔震器的研究，范立础[9]等关于阻尼器的研究，Bosco[1]等关于屈曲约束支撑的研究，Sarlis[7]等关于负刚度装置的研究和Guerrini[3]等关于混合振动系统的研究。

作为抗震设计中一种最有效的被动控制策略，减隔震技术在桥梁工程上的应用主要是采用减隔震支座和加装阻尼器等方式，最早开始于20世纪70年代在美国、日本等先进国家得到使用。桥梁上部结构发生落梁是桥梁在地震中倒塌的一个重要原因，减隔震支座以及阻尼器可以通过延长结构周期、增加阻尼[5]耗散地震能量，以减小地震作用下结构的内力以及墩梁之间的相对位移从而避免破坏。汶川地震后，减隔震技术在国内桥梁工程领域开始受到重视并得到大力发展[4,14,19]。近年来，李爱群、孟兮[11-13]等将不同结构形式的金属阻尼器应用在桥梁工程，王炎[15]优化了桥梁工程中使用的铅芯橡胶减隔震支座的参数，温佳年、韩强[16]等使用振动台对滑动摩擦隔震支座、软钢阻尼器等不同类型的减隔震装置在桥梁结构上的性能表现做出了研究。然而，这些传统的减隔震装置通常基于重金属、橡胶制品和密闭容器中的粘稠液体，它们在大气环境中存在环保问题及耐久性问题，其性能使用寿命远低于桥梁的使用寿命。并且大量使用减隔震装置的成本较高，对于量大面广的中小桥梁建设会造成巨大的经济压力。另外，这些减隔震装置虽然耗散了地震能量，但桥梁上部结构在震后往往留有残余位移，为震后的修复和加固工作带来了巨大的困难。

针对以上问题，本文提出一种预压限位装置与滑板支座组合的中小桥梁抗震体系，能够大幅降低桥梁减隔震成本和提高耐久性能，并且能够帮助桥梁上部结构实现自复位，符合防灾韧性设计的概念。

1 预压限位装置的设计

对于中小跨径的连续梁桥，通常在边墩墩顶设置滑板支座，而在中墩墩顶设置不能产生相对滑动的普通板式橡胶支座。在遭遇强烈地震作用时，普通板式支座与梁体或者垫石之间有可能会产生滑移破坏，墩梁相对位移过大而失去控制，有可能会超出预留搭接长度造成落梁破坏。为了避免上部结构落梁，在盖梁顶布置横桥向和顺桥向的抗震挡块可以用来限制墩梁的相对位移。大量震害表明，单纯依靠混凝土挡块来限制墩梁相对位移较为困难，并且梁体与挡块之间的强烈碰撞力会传递到桥墩，造成桥墩破坏。

本文为解决普通板式支座抗震的缺陷，将连续梁桥支座更换为滑板支座，并在盖梁与梁体之间安装预压限位装置。装置如图1所示，其中限位块与护筒是一体的，而挡板则是独立、可自由活动的。预压限位装置工作机理是预先对于弹性体(螺旋弹簧等)施加一个预压力后放置在护筒内，实现可变刚度和弹性多线性的本构关系，然后将装置安装在盖梁与梁体之间。工作过程中，限位块起到的作用是与顶封板同时约束预压弹簧与挡板。遭遇地震作用时，梁体的惯性会对该装置施加压力，当水平动荷载小于预压力时，则墩梁之间无相对位移，这时墩梁之间的刚度是装置材料本身所产生的刚度，相对较大；而该力大于预压力时，限位块旁边的挡板则在活塞的带动下开始移动，墩梁之间产生相对滑移，此时装置相当于一个柔性弹簧，降低了桥梁水平向的整体刚度，达到减弱地震响应的目的。因此在该装置上预压力实现了支座自复位的功能，以及桥面常规荷载和小震作用下的保护功能。装置工作过程中没有发生构件破坏，满足地震韧性[20]的概念。

图1 预压力减隔震装置示意图Fig.1 Sketch diagram of preload restrainer

2 拟静力试验

使用英国Servotest公司DCS2000系统100t作动器[17]对预压力装置试件进行轴向的拟静力试验，将试件固定在反力地板上，并采用自适应油压千斤顶来控制试验过程中轴压力的变化。试验样品尺寸构造与图1所示一致，直径约25cm，高度约1.2m，内置预压弹簧。本试验加载波形采用简谐波，并采用位移控制，根据前一级试验结果来调整后面试验参数，即对下一位移控制目标进行调整。总共加载循环6次，最大位移从5 cm到15 cm。得到的力-位移变化曲线与理想设计模型的本构关系比较，作动器试验现场见图2，结果见图3。

图2 预压力挡块样品的作动器试验 图3 试验与理论力-位移模型比较Fig.2 Actuator test of preload restrainer sample Fig.3 Comparison of load-displacement models by tests and in theory

图中Fy为挡块的预压力，dy为预压力对应的位移。理想设计模型的本构关系曲线中，屈服强度为样品试制时所添加的预压力，屈服刚度为弹簧的线刚度，而初始刚度则由本装置的屈服强度与一个预估的屈服位移1 mm计算得到。根据拟静力的试验结果可以看到该挡块受力呈现非线弹性，与理论预测一致。在合理设置预压力情况下，能够控制墩梁之间的相对位移，减小桥墩地震内力。试验得到的曲线有些微小的滞回现象主要是由样品本身与试验机连接未达到高紧密连接造成的。可以看到实际样品的力-位移模型与理论值非常接近。这种弹性多线性的本构关系不仅利用变刚度达到了减小地震响应的特点同时还向支座体系提供了自复位的功能。

3 数值模拟

3.1 工程概况及地震动输入

1联4跨40m T梁的连续梁桥被选为目标结构，其下部结构为钢筋混凝土双柱墩，柱截面直径为1.8 m，桥型布置图见图4。桥墩和上部结构采用C40和C50混凝土，每个桥墩墩顶设置10个GJZ400×450×84板式橡胶支座，两端桥台各设置5个GJZF4-400×450×86滑板橡胶支座。

图4 目标连续梁桥桥型布置图Fig.4 Bridge-type layout of target span continuous beam bridge

由于采用非线性分析，故选取El Centro波、Taft波和天津波3条天然地震波，地震波最大幅值统一调整为0.15g，模拟7度区地震作用。计算结果取3条地震波最大值。因模型为钢筋混凝土结构，因此结构阻尼比取0.05。计算阻尼比采用瑞雷阻尼，根据桥梁结构第1阶和第20阶自振频率确定瑞雷阻尼系数，依据本桥有限元模型中，第1阶和第20阶模态为纵向振动的前2阶模态，其中第1阶模态的纵桥向质量参与系数达到94.4%，第20阶模态累计质量参与系数达到99.1%。

3.2 有限元模型及动力特性

桥墩和上部结构采用有限元分析软件梁单元模拟，有限元模型示意图见图5，其中模型主梁、盖梁、系梁均由线弹性的杆单元模拟；桥墩截面划分了纤维截面来模拟下部结构的非线性。桥梁上部结构质量为每跨1 120 t，材料特性的取值见表1。滑板支座在模型中采用释放水平自由度模拟，即不考虑滑板支座摩擦力对抗震有利的影响因素。滑板支座本构关系使用双折线滞回模型，根据相关规范计算得到初始刚度取3 450 kN/m，屈服强度取值33.6 kN，屈服刚度取值0 kN/m；由于抗震验算中通常不考虑板式橡胶支座的失效，因此板式橡胶支座本构关系使用线弹性模型，刚度取3 600 kN/m(2号墩)和3 200 kN/m(1号墩、3号墩)。

表1 有限元模型材料特性取值表Table 1 Material characteristics of FEM model

图5 目标桥梁的有限元模型示意图Fig.5 Sketch-up of FEM model for target bridge

模型动力特性见表2，当中列出了模型前10阶的模态频率，前10阶中只有第1阶为纵向振动。

表2 有限元模型模态频率统计表Table 2 Chart of modal frequencies of FEM model

3.3 预压限位装置的动力分析

设置了4个结构模型作为参照组来对比研究新型预压限位装置抗震性能。4个模型分别是：模型1，原桥模型，即墩顶采用普通板式橡胶支座，桥台与上部结构连接使用滑板支座；模型2，将支座全部设置为滑板支座，墩顶与上部结构之间设置预压限位装置，预压力设置为20 kN，预压弹簧刚度为53 kN/m；模型3：在模型2的基础上将预压力设置为200 kN；模型4：在模型2的基础上将预压限位挡块预压力为1 000 kN。本节主要是用数值模拟研究不同参数的限位装置对目标结构抗震性能的提升影响，而不同参数的实现，可以考虑通过增加弹簧的长度等方法来提升预压力同时保证线刚度不变。

采用普通板式橡胶支座的连续梁桥在下部结构不进入塑性的时，其体系可以被认为属于线弹性结构。在Taft地震波作用下，其主梁位移和边墩墩底弯矩见图6(a)和图6(b)所示。主梁纵桥向最大地震位移为6.25 cm，边墩墩底最大弯矩为1.69×107N·m。采用预压限位挡块的连续梁桥在不考虑桥墩材料非线性情况下，其体系属于非线弹性结构。由于预压限位挡块等效水平刚度与其受力密切相关，当其水平力小于预压力时，其刚度较大，此时整个桥梁结构的水平刚度也较大。当遭遇的地震作用较强时，挡块承受的水平力大于预压力，挡块刚度迅速变小，桥梁结构的整体水平刚度也随之变小，可有效降低地震响应。模型2在Taft地震波作用下，其主梁位移和边墩墩底弯矩见图6(c)和图6(d)所示。主梁纵桥向最大地震位移为8.8 cm，边墩墩底最大弯矩为1.65×106N·m。与模型1相比，其主梁纵向位移有所增大，而边墩墩底弯矩则较大幅度降低，并且时程曲线也呈现不同的特点。

从图6(c)、图6(e)和图6(f)可以看出，随着预压限位挡块预压力的不断增加，桥梁梁体的纵向位移呈现不同频率特性的响应规律，能够直观判断结构的水平等效刚度也在逐渐增加。

图6 有限元模型地震动响应图Fig.6 Seismic responses of FEM model

表3统计了4种桥梁模型分别在3条地震波作用下各种响应的最大值。

表3 模型地震动响应最大值统计表Table 3 Maximum seismic responses of models

由表3可知，在采用预压限位挡块后，边墩和中墩的墩底地震弯矩和剪力均大幅下降，其中模型2的地震内力最小。随着预压限位挡块预压力的逐渐增大，1号和2号桥墩墩底的地震内力(弯矩和剪力)也逐渐增大，这是由于安装预压限位挡块桥梁结构的水平等效刚度与预压力直接相关，采用小的预压力可以使结构变柔，延长结构的自振周期，减小地震响应。而设置较大预压力的结构刚度较大，其自振频率也会变大，会增大地震响应。从1号和2和桥墩地震内力可以得出如下结论：预压限位挡块对不同高度桥墩均具有减震作用。采用在采用预压限位挡块后，1号和2号桥墩的墩顶纵向位移大幅大下降，其中模型二桥墩的墩顶位移最小，其原因与前述一致。

图7根据计算数据绘制了各模型梁体最大纵向位移的对比。可以看出，除模型3的主梁纵桥向位移比模型1小外，模型2和模型4的主梁纵向位移均比模型1大。说明通过优化预压限位挡块的预压力能够显著减小桥梁主梁的地震位移。对于采用预压限位挡块的桥梁结构，如果预压力调整过大或者过小，则上部结构的纵桥向位移有可能大于采用普通橡胶支座的结构。非线性结构的动力响应是十分复杂的，计算结果中梁体纵向位移的变化规律可以解释为：当限位装置预压力设置太小时，在地震动影响下进入屈服刚度较早，结构整体刚度减小，因此上部结构位移较大；而限位装置预压力设置太大则会使墩梁间刚度为装置初始刚度，此时结构的振型与输入地震波的主频率耦合，从而也放大了上部结构的位移。

图7 各模型梁体最大纵向位移对比图Fig.7 Comparison of max beam displacements of different models

3.4 减隔震体系的动力分析

本节将对预压力挡块与滑板支座组合的新型减隔震体系的抗震性能进行分析评估，其“旗形”的力学模型见图8。

图8 新型减隔震体系的力学理想本构模型Figure8 Ideal constitutive relation of innovative seismic reduction system

本节使用3个不同参数的新型减隔震体系模型，分别输入地震波，计算目标模型纵桥向的抗震响应。3个不同模型分别是：模型1，限位挡块预压力300 kN，滑板支座滑动摩擦力200 kN；模型2，限位挡块预压力400 kN，滑板支座滑动摩擦力200 kN；模型3，限位挡块预压力600 kN，滑板支座滑动摩擦力200 kN。

3个模型在El-Centro波作用下，梁和墩顶的位移时程对比见图9。

图9 有限元模型位移时程响应图Fig.9 Time-histories of displacement responses of FEM models

可以看到，不同的预压力对目标结构的位移响应的影响不是特别明显。综合3.2及3.3的数值模拟结果，认为挡块的最优预压力设置应在滑板支座滑动摩擦力的1.3倍到1.5倍之间，这样既保证了上部结构自复位的功能，也不会使得地震中减隔震装置因预压力过大无法屈服而过度地增加结构刚度并且无法耗能。

另外，在3条地震波作用下，3个模型中墩上的减隔震体系的内力-位移滞回曲线见图10，其中图10(a)对应工况为El-Centro波及300kN挡块预压力；图10(b)为El-Centro波，400 kN预压力；图10(c)为El-Centro波，600 kN预压力；图10(d)为Taft波，300 kN预压力；图10(e)为Taft波，400 kN预压力；图10(f)为Taft波，600 kN预压力；图10(g)为天津波，600 kN预压力。从中可以看到抗震体系滞回曲线饱满，耗能充分，可以作为桥梁减震耗能的新手段。同时滞回曲线均满足“旗形”的特点，并在残余位移的位置通过预压力保证了地震之后上部结构自复位的功能。

图10 不同挡块预压力设置的结构模型(挡块&滑板支座)在3条地震波作用下抗震体系的力-位移滞回曲线Fig.10 Hysteretic curves of seismic systems (stopper & slide bearing) with different preload on restrainer under 3 earthquakes

4 结论

针对常见的中小跨径连续梁桥，提出一种简单有效的新型抗震结构体系，通过采用滑板橡胶支座和弹性多线性的预压限位挡块组合实现减震耗能功能以及上部结构自复位功能，该体系构造简单、耐久性强，并且能够通过合理调整挡块参数能够达到减小地震响应的作用。

通过作动器对预压力挡块的试验，以及数值模拟，可以得到以下结论：(1)本构关系为弹性多线性的挡块与滑板支座组合而成的新型减隔震体系可以实现旗形的力-位移滞回曲线，体系可以通过滑板支座的摩擦力进行耗能，通过系统参数优化，可以有效减小连续梁桥的地震位移和地震内力，提高桥梁的抗震性能；(2)由于主动设置的挡块预压力大于滑板支座的摩擦力，新型减隔震系统可以实现上部结构自复位的功能；(3)新体系的抗震性能表现对预压力的设置不敏感，随着限位挡块的预压力增大，该桥梁结构的等效水平刚度也逐渐增大，其地震响应也会随之增大，但幅度较低，可以认为预压力设置在支座滑动摩擦力的1.3倍到1.5倍是合适的水平；(4)预压限位挡块可以采用钢结构制作，该结构体系的耐久性能明显由于传统的采用橡胶减隔震支座系统，抗震性能的温度稳定性也由于传统系统。

对于未来的工作，由于本文只对在限位装置作用下桥梁纵桥向的抗震性能做了数值模拟，因此，接下来会展开装置对横桥向抗震性能提升的研究。另外，将进一步优化新型抗震体系的参数，通过振动台试验探索其在更多不同类型的结构物上的抗震性能表现，以及与其它具备自复位功能的减隔震装置相比较。