桥梁拉索减震支座研发及应用

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桥梁拉索减震支座研发及应用

袁万城　李　涵　田圣泽*　党新志

(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海　200092)

摘　要　从目前桥梁减隔震设计面临的“结构地震力与梁体位移”矛盾的平衡问题出发,介绍了新型减隔震支座——拉索减震支座的功能原理、发展、试验研究与实桥应用。理论研究与实桥试验均表明拉索减震支座具有很好的减震效果,且能有效控制墩梁间的位移。

关键词　拉索减震支座, 墩梁相对位移, 拟静力试验, 振动台试验

Development and Application of the Bridge Cable-slidingFriction Aseismic Bearing

YUAN Wancheng　LI Han　TIAN Shengze*　DANG Xinzhi

(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

Abstract　To solve the problem of balance on the contradiction between structural seismic forces and girder displacements in bridge isolation design, a new isolation bearing, the Cable-sliding Friction Aseismic Bearing, is developed and its function principle, experimental research and practical application are summarized. Conclusions can be drawn from theoretical research and a bridge model experiment that the Cable-sliding Friction Aseismic Bearing has excellent seismic mitigation effects and it can effectively control the displacements between the girder and the pier.

Keywords　cable-sliding friction aseismic bearing, displacement between girder and pier, quasi-static test, shaking table test

1　引　言

近年来,减隔震设计一直是抗震研究的热点问题之一,不同于延性设计,减隔震设计通过延长结构振动周期并辅以一定的结构耗能,达到降低桥梁结构地震动响应以增强结构的抗震能力[1]。具体地,桥梁减隔震技术通常是通过在梁体与墩台间放置减隔震支座,降低结构刚度,“削弱”地震动自下向上的传播,或同时具备一定的耗能作用,达到减隔震的目的。

减隔震支座的水平向刚度影响着结构受力,一般说来,支座水平刚度越大,结构振动周期越小,结构力动响应越大,支座位移越小;支座水平刚度越小,结构振动周期越长,结构力响应越小,支座位移响应越大。对于一般地震波,尤其是近场地震波,结构所受地震力与结构位移(这里一般指的是墩梁相对位移)呈现此消彼长的现象,不易调和。这就是桥梁结构地震响应中所谓“力与位移”的矛盾问题。

为了平衡“力与位移”的矛盾问题,减隔震支座通常通过调整支座参数如改变橡胶支座的厚度、改变铅芯橡胶支座的铅芯刚度[2]、改变球钢支座的摩擦系数[3]、改变摩擦摆支座的曲面半径或摩擦因数[4]获得更小或更大的支座水平刚度。刚度选择的实质就是对位移的妥协。叠层橡胶支座在水平荷载作用下稳定性较差,仅适用于中小跨径桥梁;铅芯橡胶支座耗能能力强,但支座动力剪切性能受竖向荷载变化大,不能实现对多频特征的地震波进行有效的减震、隔震,且随着铅芯的增加,支座自恢复能力逐渐减弱[1];摩擦摆支座复位能力强、摩擦耗能性能稳定[5],但在地震力作用下,球面摩擦副沿曲面的滑动将导致梁端产生竖向位移,在超静定结构中会产生次内力,不利于上部结构的稳定。

为合理规避位移过大的风险,本文介绍一种通过拉索松紧粗细能够调和“力与位移”平衡问题、具有限位功能与自适应性、技术日益成熟,并已经在桥梁减隔震领域逐渐兴起的减隔震支座——拉索减震支座。

2　拉索减震支座功能原理简介

拉索减震支座(图1)是在普通盆式支座或球钢支座的基础上,结合了柔性较好的钢丝绳,从而实现在桥梁结构遭遇地震时,固定支座抗剪销钉剪断,结构体系变为减隔震体系,通过支座滑动保护下部结构,并通过拉索装置限制墩梁位移。拉索支座避免了在墩身、主梁底部设计限位缆索的连接锚固,不仅限制了墩梁间的相对位移,同时也提供了支座的恢复力。图2给出了拉索减震支座的恢复力模型。

图1　拉索减震支座示意图
Fig.1　Diagram of the cable-sliding
friction aseismic bearing

图2　拉索减震支座恢复力模型
Fig.2　Restoring force model of cable-sliding
friction aseismic bearings

图中可以看出,相较于普通摩擦支座,拉索减震支座具备第三个线性段,这个阶段支座通过拉索的拉伸提供了支座的恢复力。通过调整拉索的长短粗细,可以控制u0和K2的值,从而实现对上述“力与位移”的控制。针对不同桥梁,拉索减震支座这些参数的合理选取影响桥梁整体的抗震效果[6-7],这也表明拉索减震支座具备针对不同桥梁能够具备自适应性。

拉索支座的制作非常简单,用于限制位移的拉索也可以进行单独地拆卸,非常便于震后的复位或更换。同时,价格低廉的钢丝绳使得该支座更换的成本非常低。

3　拉索减震支座装置的发展

3.1　装置功能的改进

3.1.1　拉索的改进

拉索部分在拉索减震支座中占据着举足轻重的地位,其最终在支座中发挥的性能直接影响到结构的抗震性能。前期试验中拉索材料使用的是钢绞线,钢绞线的优点是强度高和松弛性能好,但是在加工过程中不易弯折,给支座组装带来不便,且在往复加载时出现部分拉索断丝现象。而钢丝绳具有柔软、抗冲击韧性好、不易骤然整根折断的特点,同时,钢丝绳的强度和弹性模量等与钢绞线相差不大,可以满足支座在力学方面的要求。

3.1.2　易更换功能

在经历强震后,拉索减震支座中的拉索可能会出现一定的损伤,对于抵御之后的地震能力就会下降,因此需要更换出现损伤的拉索[7]。初期的拉索支座不具备易更换拉索的功能,但随后,通过对拉索部分进行重新的设计,即在拉索端头固定件处设置钢弹簧垫圈,钢弹簧垫圈可以起到缓冲的作用,并且可以自由调节钢弹簧垫圈的长度。拉索装置的设置更加灵活,方便检查和更换。 易更换拉索减震支座构建图见图3。

3.2　拉索减震支座试验验证

3.2.1　足尺拟静力试验

为获取拉索减震支座的本构,作者对其做了足尺支座拟静力试验(图4)。图5展示了拉索减震支座的荷载-位移滞回曲线。

图3　易更换拉索减震支座构造图
Fig.3　Replaceable cable-sliding friction aseismic bearing

图5类比了试验结果与有限元模拟的结果,结果显示有限元模拟分析能够很好地符合试验结果,拉索支座的恢复力-变形图(图5)反映出拉索支座本构呈现出三段线性的本构特征,支座变形小于拉索自由行程时,拉索不起作用,支座呈现普

通球钢摩擦型支座的本构特征,这一阶段它具备一定的摩擦耗能能力；当支座变形超过一定限值时,拉索的弹性回复力有效控制了支座的进一步变形。值得注意的是拉索刚度的选取直接关系到桥墩所受剪力的大小,过大的拉索索力值导致桥墩受到一定的破坏,故应当合理确定其取值。对于车辆荷载及风荷载等外力作用,正常使用状况下拉索支座与普通支座无异。

3.2.2　实桥振动台试验

图4　拉索减震支座足尺拟静力试验
Fig.4　Full scale quasi-static test of the cable-sliding friction bearing

为进一步验证拉索减震支座的减震效果,利用同济大学多功能振动台对某矮塔斜拉桥进行了振动台试验分析(图6)。

图5　拉索减震支座足尺拟静力试验结果
Fig.5　Test result of full scale quasi-static test of cable-sliding friction aseismic bearing

本次实验台面加载选取了一条人工合成地震波(南昌波)与一条实测地震波(El Centro波),在拉索支座体系下,加载各地震波由PGA 0.1 g开始加载,每次加载完成后检查结构残余位移,并将结构复位,将地震动PGA翻倍后继续加载,直至PGA达到0.8 g。图7、图8给出了南昌波0.4 g工况下拉索支座减震体系与无拉索体系(纯摩擦体系)的主梁加速度与15#支座变形对比,可以发现,在加载至4 s的时候,梁体加速度突增,这一激增的加速度由拉索支座的索力产生,同时支座的变形得到了一定的控制。

图6　矮塔斜拉桥振动台试验
Fig.6　Shaking table test of the extradosed cable-stayed bridge

图7　有无拉索支座下梁体加速度对比
Fig.7　Comparison of girder accelerations
with/without the CSFAB

图8　有无拉索支座下15#墩梁间相对位移对比
Fig.8　Comparison of deformation of 15#
bearing with or without the CSFAB

4　应用案例介绍

拉索减震支座出色的综合性能使其在工程结构中受到越来越多的关注,杭州九堡大桥、南昌朝阳大桥、泉州晋江高架桥等经过抗震设计,最终采用了拉索减震支座设计方案。表1介绍了几个主要应用案例。

5　结　论

本文从桥梁减隔震设计中要解决的地震力与梁体位移的矛盾问题出发,介绍了减隔震支座的减震原理。从现有减隔震支座存在的问题出发,引出具备减震能力并能有效限制梁体位移的拉索减震支座并介绍其研发过程与发展,包括足尺拟静力试验与实桥模型振动台试验。得出以下结论:

(1) 拉索减震支座中拉索采用柔性钢丝绳,易于通过变更支座滑动自由行程权衡墩底所受地震力和墩梁相对位移的矛盾问题,且震后易更换。

(2) 拉索减震支座具备典型减隔震支座非线性的本构特征,能够有效降低结构所受的地震力。

表1　拉索减震支座的部分应用案例

Table 1　Cable-sliding friction bearing application cases

桥梁名称桥梁概况抗震问题解决方案抗震效果杭州九堡大桥主桥为3×210m连续结合梁-钢拱组合体系拱桥,引桥为单跨85m的等截面连续组合箱梁E2地震作用下,主桥固定墩及相邻墩的桩基抗震能力不足,支座水平力过大主桥固定墩支座与横向限位支座、引桥固定支座与边墩横向限位支座采用拉索减震支座固定墩墩底内力明显减小,墩梁相对位移得到有效控制南昌朝阳大桥主桥为79+5×150+79m布置的六塔单索面矮塔斜拉桥。主梁采用波形钢腹板PC组合箱梁E2地震作用下,固定墩主塔及桩基础地震力过大采用易更换的拉锁减震支座与自复位弹簧装置组合使用保证桥梁在设计地震作用下保持弹性工作沈海高速泉州高架桥主线为33联跨径29m、32m、35m等不一的混凝土连续梁工程场地处于近断层区域。E2地震作用下,梁体纵横向位移均较大全部采用拉索减震支座墩梁相对位移得到有效控制,解决了近断层区域内的抗震问题

(3) 应用拉索减震支座的实桥模型在地震动激励下,梁体的位移得到了有效的限值,规避了支座破坏甚至落梁的风险。

拉索减震支座凭借其良好的抗震性能,越来越多地被更多地桥梁采用。

参考文献

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Yuan Wancheng,Cao Xinjian,Rong Zhaojun.Development and experimental study on cable-sliding friction aseismic bearing[J].Journal of Harbin Engineering University,2010,31(12):1593-1600.(in Chinese)

基金项目： 土木工程防灾国家重点实验室基金资助项目(SLDRCE14-B-14), 国家自然科学基金资助项目(51478339, 51278376,91315301),江西省科技计划项目(20151BBG70064)

收稿日期： 2015-08-05

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