孔令俊，曹志峰，王雷，張銀喜，陳彥北

（1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；2.廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，廣東廣州510507）

新型橫向鋼阻尼裝置用于斜拉橋的振動臺試驗研究

孔令俊1，曹志峰1，王雷2，張銀喜1，陳彥北1

（1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；2.廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，廣東廣州510507）

為了探究新型橫向鋼阻尼裝置的減震性能，以一斜拉橋為工程背景，對4組橋墩進行了振動臺試驗，研究了新型橫向鋼阻尼裝置對斜拉橋的橫向減震作用。結(jié)果表明:新型橫向鋼阻尼裝置體系比橫橋向固結(jié)體系1階頻率低；新型橫向鋼阻尼裝置體系相對橫橋向固結(jié)體系能有效地減小關(guān)鍵點的位移及加速度峰值，且隨著地震動的增強，位移和加速度的減震效果更加明顯，是一種合理的減震體系。

新型橫向鋼阻尼裝置；振動臺試驗；斜拉橋；減震性能

斜拉橋作為交通樞紐工程和生命線工程的重要部分，一旦在地震中發(fā)生破壞，將會造成較大的生命和財產(chǎn)損失［1-2］。因此，對大跨度斜拉橋的抗震性能進行全面而系統(tǒng)的研究特別重要。目前國內(nèi)外的橋梁減震規(guī)范主要適用跨度＜150 m的橋梁，對于大跨度橋梁抗震沒有可以依據(jù)的減震設計規(guī)范，應進行專門的地震試驗研究［3-6］。國內(nèi)外許多學者開展了眾多斜拉橋振動臺試驗研究，唐光武等［7］對重慶朝天門長江大橋進行了振動模型試驗，試驗結(jié)果和計算結(jié)果吻合較好，驗證了振動臺試驗的可靠性。高文軍等［8］對單索面獨塔斜拉橋進行了振動臺模型試驗，詳細分析了試驗結(jié)果，并將其與計算結(jié)果進行了比較。房貞政等［9］對三塔長跨斜拉橋進行了多維激勵、多點激勵振動臺試驗和研究。文獻［10］對橋梁非線性地震反應進行了振動臺試驗。

本文以一斜拉橋為研究對象，在同濟大學多功能振動臺試驗室進行大比例縮尺全橋模型振動臺試驗，研究斜拉橋橫橋向合理減震體系及減震措施，即橫橋向采用新型橫向鋼阻尼裝置的減震效果。

1　工程概況

一斜拉橋是高速公路工程中重要的特大橋項目。該橋主橋橋型初步設計為中跨鋼箱梁、邊跨預應力混凝土箱梁的混合梁雙塔雙索面斜拉橋。根據(jù)設計要求，該斜拉橋主跨為360 m，跨徑布置為（50+60+360 +60+50）m，主橋鋼箱梁部分全長480 m，混凝土箱梁長（50+50）m，橋面寬35.5 m。主梁采用流線型扁平封閉箱梁，主塔為C50 H形混凝土塔，輔助墩、過渡墩均采用C40混凝土墩柱，橋址區(qū)減震設防烈度為7度。其中，主塔墩號為M3和M4，輔助墩墩號為M2和M5，過渡墩墩號為M1和M6。

2　振動臺試驗模型設計

2.1相似關(guān)系

振動臺模型的設計、制作及加載應嚴格按照相似理論進行。在進行結(jié)構(gòu)振動臺試驗相似設計時，由結(jié)構(gòu)動力學的基本方程推得

式中：SE為彈性模量相似常數(shù)，對于混凝土SE=0.3，對于鋼結(jié)構(gòu)SE=1；Sρ為密度相似常數(shù)；Sa為加速度相似常數(shù)，考慮振動臺模型與原橋梁在同一重力場中，故Sa=1；Sl為長度相似常數(shù)，根據(jù)試驗設備條件，確定Sl=1/20。

根據(jù)式（1）確定Sρ=6，其余物理量的相似常數(shù)見表1。

表1　振動臺模型試驗相似常數(shù)

2.2模型結(jié)構(gòu)設計

縮比模型的結(jié)構(gòu)設計主要包括橋塔結(jié)構(gòu)設計、主梁結(jié)構(gòu)設計、配重設計、拉索設計及細部構(gòu)造設計。該振動臺試驗全橋模型共制作了2個橋塔，根據(jù)剛度等效原則確定了橋塔主要斷面尺寸以及橋塔模型的關(guān)鍵截面配筋情況?？v向鋼筋采用φ6HRB335光圓鋼筋，箍筋采用10#鉛絲，混凝土保護層厚度10 mm。振動臺試驗共制作了4組橋墩，其中輔助墩和過渡墩各2組。橋墩模型設計應保證橋墩的側(cè)向抗彎剛度、軸向剛度、抗扭剛度的相似關(guān)系滿足要求。對原橋梁橋墩進行縮尺，模型過渡墩和輔助墩均設計為雙柱式橋墩，墩柱凈高1.9 m，墩柱尺寸為0.27 m×0.18 m，過渡墩墩柱中心距為0.84 m，輔助墩墩柱中心距為0.5 m。模型主梁根據(jù)抗彎剛度按相似比模擬，采用空心矩形斷面，用10 mm厚鋼板焊接拼裝。

為了準確模擬實橋的慣性力和重力，僅靠橋塔、橋墩及主梁的自重并不足夠，因此需要在模型上附加適當?shù)姆植假|(zhì)量。試驗的配重設計主要包括橋塔的配重設計、橋墩的配重設計和主梁的配重設計，其中橋塔配重約為2 509.7 t，橋塔上、下橫梁分別配重約625.4 t和938.1 t，橋墩配重625.4 t。

原斜拉橋共有48對斜拉索，為便于調(diào)整拉索的索力及滿足斜拉索布置要求，試驗采用并索處理，將拉索縮減至12對，斜拉索用10 mm鋼絲繩模擬。

2.3支座及約束裝置設計

斜拉橋主橋采用的支座為球型雙向活動支座，橫向約束裝置為新型橫向鋼阻尼裝置。試驗采用四氟滑板橡膠支座模擬球型雙向活動支座，見圖1，設計參數(shù)見表2。

表2　四氟滑板橡膠支座設計參數(shù)

橋塔與主梁之間及橋墩與主梁之間的新型橫向鋼阻尼裝置采用按相似比設計的阻尼裝置，見圖2，設計參數(shù)見表3。

圖2　新型橫向鋼阻尼裝置

表3　新型橫向鋼阻尼裝置設計參數(shù)

3　試驗工況

為掌握斜拉橋在橫橋向地震作用下的地震響應特點，確定新型橫向鋼阻尼裝置的減震效果，擬通過對橫橋向2種體系進行振動臺試驗研究：體系H1是指新型橫向鋼阻尼裝置體系，即在過渡墩、輔助墩及橋塔下橫梁處均設置雙向活動支座和新型橫向鋼阻尼裝置；體系H2是指橫橋向固結(jié)體系，即在過渡墩、輔助墩及橋塔下橫梁處均設置雙向活動支座，且在過渡墩、橋塔與主梁連接處橫向固結(jié)。

結(jié)合典型斜拉橋場地條件、動力特性以及試驗室振動臺設備的輸出性能，該試驗振動臺臺面橫橋向輸入1條實際地震記錄和1條人工地震動。選擇1999年臺灣集集地震所記錄到的ChiChi波，該波記錄持續(xù)時間長，并包含豐富的長周期成分；另1條人工波選擇橋址處地震安全評價報告中提供的地震波（以下記為Site波）。將上述2條地震波的地面加速度峰值調(diào)整為0.1g，并按照時間相似常數(shù)St=0.223 6進行時間軸壓縮以及峰值歸一化調(diào)整。然后將峰值加速度逐級遞增加載到試驗模型上，并在地震工況前后輸入白噪聲，掃描模型動力特性變化。根據(jù)試驗要求，體系H1中ChiChi波加載至0.5g，Site波加載至0.35g；體系H2中ChiChi波加載至0.4g，Site波加載至0.4g。

4　試驗結(jié)果分析

將橫橋向新型橫向鋼阻尼裝置體系H1和橫橋向固結(jié)體系H2的試驗數(shù)據(jù)進行比較，包括結(jié)構(gòu)動力特性、加速度反應以及位移反應，并給出橫橋向新型橫向鋼阻尼裝置的滯回耗能曲線。

4.1結(jié)構(gòu)動力特性

對體系H1、體系H2進行的第1次和最后1次白噪聲掃頻試驗得到的模型結(jié)構(gòu)1階頻率進行對比，第1次均為1.50 Hz，最后1次均為2.63 Hz。2次白噪聲掃頻結(jié)果表明體系H1、體系H2的1階頻率均沒有變化，說明結(jié)構(gòu)并未發(fā)生損傷；體系H2中，由于橋塔及過渡墩處與主梁固結(jié)，增加了結(jié)構(gòu)橫橋向剛度，導致結(jié)構(gòu)橫橋向1階頻率增大；結(jié)構(gòu)1階振型發(fā)生變化，體系H1的1階振型為主梁橫向振動，而體系H2的1階振型為主梁和主塔同時橫向振動。

4.2加速度反應

在2條地震動作用下，2種約束體系塔柱頂部及主梁跨中橫向最大加速度反應對比曲線分別見圖3、圖4?？梢钥闯?，在ChiChi波作用下，體系H2塔頂橫向最大加速度反應大于體系H1，而在Site波作用下，體系H2塔頂橫向最大加速度反應與體系H1差別不大；在ChiChi波及Site波作用下，體系H2主梁跨中橫向最大加速度反應均大于體系H1。

圖3　塔頂最大加速度反應對比曲線

圖4　主梁跨中最大加速度反應對比曲線

4.3位移反應

在2條地震動作用下，2種約束體系主梁跨中最大位移反應、塔柱頂部最大位移反應對比曲線分別見圖5、圖6。在ChiChi波加載至0.5g時，體系H1新型橫向鋼阻尼裝置超出工作范圍，數(shù)據(jù)異常，故可以忽略。可以看出，在2條地震動作用下，體系H2塔柱頂部最大位移反應比體系H1明顯增大；在ChiChi波作用下，體系H1主梁跨中最大位移反應均比體系H2有明顯增大，而在Site波作用下，體系H2主梁跨中最大位移反應較大，這與地震波的頻譜特性有關(guān)；隨著峰值加速度的增大，位移反應的減震效果越加明顯。

圖5　塔頂最大位移反應對比曲線

圖6　主梁跨中最大位移反應對比曲線

4.4新型橫向鋼阻尼裝置滯回曲線

結(jié)合力傳感器記錄的阻尼裝置力以及根據(jù)位移傳感器記錄的數(shù)據(jù)，計算得到塔、梁間相對位移，繪制了在輸入2條地震動典型試驗工況下阻尼裝置力與位移滯回曲線，見圖7?？梢钥闯?，當臺面輸入峰值加速度較大時，新型橫向鋼阻尼裝置明顯發(fā)生屈服，阻尼裝置力與位移滯回曲線飽滿，說明新型橫向鋼阻尼裝置耗散了地震能量，起到了很好的減震效果。

圖7　0.3g加速度新型橫向鋼阻尼裝置力與位移滯回曲線

5　結(jié)論

1）用白噪聲對結(jié)構(gòu)進行掃頻，識別了2種約束體系的1階頻率。體系H1、體系H2的1階頻率分別為1.50，2.63 Hz。

2）塔柱頂部加速度反應隨加速度峰值增大呈線性增大，體系H2加速度峰值略大于體系H1，并與地震波頻譜特性相關(guān)；主梁跨中加速度反應隨加速度峰值增大而增速變緩，體系H2加速度峰值略大于體系H1。

3）結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點位移反應隨峰值加速度增大呈線性增大，且體系H1的位移反應小于體系H2，說明全橋施加新型橫向鋼阻尼裝置有利于減小橋梁結(jié)構(gòu)的位移。

綜上所述，斜拉橋橫橋向采用新型橫向鋼阻尼裝置相對橫橋向固結(jié)體系可以有效地減小關(guān)鍵點（如塔頂、主梁）的位移及加速度峰值，且隨著地震動的增強，位移和加速度的減震效果明顯，是一種合理的減震體系。

［1］康小方.大跨度斜拉橋地震反應分析及減隔震研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2012.

［2］孔令俊，陳彥北，姜其斌.太白路橋減隔震設計分析［J］.鐵道建筑，2012（9）：44-46.

［3］王雷，徐艷.鋼阻尼裝置應用于斜拉橋橫向減震的試驗研究［J］.世界地震工程，2015（4）：43-49.

［4］姜沖虎，楊博聞，李德建，等.獨塔斜拉橋抗震分析及其合理約束體系研究［J］.鐵道科學與工程學報，2014（6）：6-12.

［5］郭輝，李永強，胡所亭，等.主跨532 m公鐵兩用斜拉橋的地震響應及阻尼器減震效果研究［J］.鐵道建筑，2015（1）：14-18.

［6］高文軍，唐光武，黃福偉，等.廈漳跨海大橋北汊主橋振動臺試驗研究［J］.橋梁建設，2013，43（4）：7-12.

［7］唐光武，鄭萬山，鄭罡，等.重慶朝天門長江大橋動力模型試驗研究［J］.公路，2009（5）：146-151.

［8］高文軍，牛松山，蘭海燕.單索面獨塔斜拉橋振動臺模型試驗研究［J］.公路交通技術(shù)，2010（2）：45-48.

［9］房貞政，張超，陳永健，等.基于三臺陣振動臺的多塔斜拉橋試驗研究［J］.土木工程學報，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.

（責任審編鄭冰）

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，工程師，碩士。