孫得璋，黃 勇，謝光明，孫柏濤，黃思凝

(1.中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

隨著我國(guó)城市交通運(yùn)輸需求急劇增加，大型立體交通樞紐已在許多城市得到了迅猛地發(fā)展，為滿足道路線形要求，往往需要修建許多曲線橋。由于其結(jié)構(gòu)輕巧、通透度大、占地量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，故常常被應(yīng)用于大型立體交通樞紐分離式匝道或上下引橋中。

但是獨(dú)柱橋墩橋梁在地震中往往震害較重。1971年美國(guó)San Fernando地震[1]、1994年美國(guó)北嶺地震[2]、1995年日本神戶地震[3]、1999年臺(tái)灣集集地震[4]、2008年汶川地震中，均有多座曲線橋梁發(fā)生不同程度的破壞[5-8]。圖1所示為汶川地震中小半徑曲線橋梁震害。很多學(xué)者通過(guò)震害、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等手段研究了曲線橋梁抗震性能。Monzon等[9]研究了模型比例為0.4的隔震曲線工字鋼梁橋的臺(tái)陣試驗(yàn)，并評(píng)估其整體性能。Abdelnaby等[10]對(duì)一個(gè)不同跨徑和不等墩高的彎曲四跨橋梁進(jìn)行了混合模擬試驗(yàn)分析，重點(diǎn)關(guān)注混合動(dòng)力試驗(yàn)中橋墩的響應(yīng)，橋梁結(jié)構(gòu)抗震分析中廣泛使用的一些建模假設(shè)是不切實(shí)際的。Wodzinowski等[11]研究了各種設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)曲線組合混凝土工字鋼梁橋自振響應(yīng)的敏感性分析.Amjadian等[12]用數(shù)值分析方法研究了地震沖擊對(duì)水平彎曲橋梁在強(qiáng)震期間剛體運(yùn)動(dòng)的影響。Soleimani等[13]采用數(shù)值分析方法，研究了不同曲率曲線橋梁的抗震性能。ZhangZhi等[14]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了三跨曲線橋梁的破壞機(jī)理，并考慮土結(jié)相互作用，結(jié)論表明，與直橋相比，曲線橋梁更容易引起旋轉(zhuǎn)和位移。此外，利用有限元數(shù)值分析進(jìn)行分別建立了混凝土的塑性損傷模型和樁土相互作用的等效土彈簧法。Li Xi等[15]研究了一個(gè)1/10縮尺的大型曲線橋梁模型在多點(diǎn)多維激勵(lì)下的綜合試驗(yàn)研究.黃勇等[16]分析了不同的曲線橋梁震害，認(rèn)為主梁質(zhì)心偏離橋軸線是主因，導(dǎo)致多數(shù)震害導(dǎo)致沿法線方向的位移。謝曉輝等[17]闡述了在抗震方面,設(shè)計(jì)鋼筋混凝土曲線橋梁的原則。時(shí)曉鵬等[18]針對(duì)地震作用下墩柱彎扭耦合引起的彎曲破壞問(wèn)題,設(shè)計(jì)了2根試驗(yàn)墩柱,并采用擬靜力試驗(yàn)對(duì)其抗震性能進(jìn)行了研究。袁萬(wàn)城等[19]以一座九跨連續(xù)曲梁橋?yàn)橹饕憷?討論了在不同地震波及行波效應(yīng)作用下曲梁橋的反應(yīng)，并對(duì)它的抗震性能也進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

圖1 汶川地震中曲線橋梁震害Fig.1 Earthquake damage of curved bridges in Wenchuan Earthquake

由于曲線梁橋主梁的剛心和質(zhì)心的不一致，橋墩在強(qiáng)震作用下比直橋的橋墩更易受到彎剪扭耦合作用，其破壞機(jī)理比直橋要復(fù)雜。由于豎向和水平地震動(dòng)的共同作用，也可能表現(xiàn)出不對(duì)稱的響應(yīng)，這使曲線梁橋更容易受到破壞并可能倒塌。

為了研究小半徑曲線橋梁的震害機(jī)理，本文擬通過(guò)對(duì)典型的小半徑曲線連續(xù)梁橋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析研究，討論其中墩為固定墩曲線橋梁震害機(jī)理。

1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

表1 材料信息Table 1 Material information

圖2 模型布置(單位：mm)Fig.2 Model layout

圖3 模型配筋圖(單位：mm)Fig.3 Model reinforcement

表2 物理量相似關(guān)系Table 2 Similarity relation of physical quantity

1.2 模型制作

模型主要由3部分組成，橋面，墩柱以及底座3部分組成。3個(gè)部分分別進(jìn)行鋼筋綁扎，然后進(jìn)行混凝土現(xiàn)澆。在墩柱鋼筋綁扎后在墩柱的兩端粘貼應(yīng)變貼片，以變收集鋼筋的應(yīng)變變化，如圖4所示。

圖4 試件制作Fig.4 The manufacturing of the specimen

1.3 測(cè)量

試驗(yàn)中分別采用了不同類型的傳感器(例如壓電加速度傳感器，位移傳感器)記錄各種參數(shù)。加速度計(jì)和位移計(jì)分別布置在臺(tái)面和橋面上，如圖5和圖6所示，加速度傳感器安裝在橋面和臺(tái)面上，測(cè)量X、Y和Z方向的加速度，編號(hào)從A1-A12，其中A3、A6、A9和A12為Z向。位移傳感器安裝在墩柱頂端和橋面，僅測(cè)量X和Y方向的位移，編號(hào)從D1-D12，其中柱子頂端6個(gè)，橋面4個(gè)，臺(tái)面2個(gè)，其中D11測(cè)量X向，D12測(cè)量Y向。

圖5 加速度傳感器俯視布置圖Fig.5 The plan view of acceleration sensor layout

圖6 位移傳感器立面布置圖FFig.6 The plan view of displacement sensor layout

地震波選取El Centro波和Taft波。由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，地震波輸入進(jìn)行水平主方向交替輸入，輸入比例按照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2010)[21]規(guī)定X：Y：Z=1：0.85：0.65[20]。由于橋梁原型是7度0.15 g抗震設(shè)防，根據(jù)GB50011-2010表5.1.2-2，時(shí)程輸入選用表中括號(hào)中數(shù)值，且試驗(yàn)中加速度放大3倍，因此，所有數(shù)值乘以3，具體如表3所示。

表3 加載工況地震動(dòng)輸入Table 3 Loading conditions and ground motion input

2 分析

2.1 現(xiàn)象分析

在7度多遇，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)肉眼可觀測(cè)裂縫，結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯變化。7度基本情況下工況以后，結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)裂縫。第8工況開(kāi)始，中柱頂端出現(xiàn)水平細(xì)微裂縫，裂縫長(zhǎng)度約20 cm，柱低端出現(xiàn)至底端向斜上方環(huán)向裂縫，長(zhǎng)度約6 cm，繼而底端也出現(xiàn)水平裂縫。7度罕遇工況以后，出現(xiàn)從柱頂端出現(xiàn)斜向下的裂縫，同時(shí)，兩端柱頂端支座滑移量增大，沿45°角度滑移。工況達(dá)到8度罕遇的時(shí)候，柱子兩端的混凝土壓碎現(xiàn)象，裂縫相互連接，在工況19的時(shí)候，混凝土壓碎現(xiàn)象嚴(yán)重，為了試驗(yàn)安全，試驗(yàn)結(jié)束，達(dá)到了預(yù)期的效果，如圖7所示。由于12#鋼絲的箍筋作用要比實(shí)際中的要大，因此，沒(méi)有出現(xiàn)實(shí)際震害中類似燈籠狀的震害。

圖7 各個(gè)工況中墩破壞情況Fig.7 The middle pier failure in various conditions

2.2 數(shù)據(jù)分析

取白噪聲激勵(lì)下模型中墩處加速度傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)峰值法，得到模型橋的基本動(dòng)力特征參數(shù)，判斷每組工況完成后模型變化情況。數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 模型基本頻率變化Table 4 Basic frequency change of the model

結(jié)構(gòu)在7度多遇以前，基本完好，從7度基本開(kāi)始結(jié)構(gòu)開(kāi)始損傷，在7度罕遇地震后出現(xiàn)較大的損傷，甚至在8度罕遇下出現(xiàn)混凝土壓碎等情況，總的來(lái)看，模型的一階頻率逐漸下降，前幾個(gè)工況下降較快，說(shuō)明模型剛度退化較快，而后幾個(gè)工況下降較慢，說(shuō)明結(jié)構(gòu)進(jìn)入強(qiáng)非線性后，柔性增大，抗震耗能增強(qiáng)。

通過(guò)臺(tái)面和橋面的加速度計(jì)和位移計(jì)的測(cè)量，加速度峰值如圖8所示。其中，p為測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：

(1)整體而言，7度多遇和7度基本工況下，主梁上3個(gè)方向的加速度峰值與臺(tái)面上相應(yīng)方向加速度峰值基本一致。但在七度罕遇工況和8度罕遇工況下，由于2#墩出現(xiàn)破壞，沿X軸和Y軸方向臺(tái)面加速度峰值高于主梁相應(yīng)方向的加速度峰值，但豎直方向卻恰恰相反。

(2)試驗(yàn)中大多數(shù)工況下，1#墩處和2#墩處主梁三向加速度峰值大于3#墩處主梁。這說(shuō)明針對(duì)輸入的地震動(dòng)，1#墩和2#墩更為敏感。

(3)在相同加速度峰值的兩種地震動(dòng)中，主梁沿X軸方向的加速度峰值在Taft波工況下更大；3#墩處主梁測(cè)點(diǎn)沿Y軸方向的加速度峰值在El Centro波工況下更大，2#墩和1#墩處主梁測(cè)點(diǎn)沿Y軸方向的加速度峰值在7度多遇和7度基本也有這樣的規(guī)律。說(shuō)明結(jié)構(gòu)在不同頻譜特征地震動(dòng)作用下反應(yīng)是有差異的。

支座的滑移(墩梁相對(duì)位移)選擇相應(yīng)位置處梁下部與墩上部傳感器數(shù)值的差值來(lái)說(shuō)明，如表5所示。將1#墩和3#墩累計(jì)的殘余位移繪制于圖9中。

3#墩處支座滑動(dòng)沿Y軸方向均為正軸方向，而X軸方向除了El Centro1(7度基本)是X軸負(fù)軸方向，其余工況均為X軸正方向。1#墩處支座滑動(dòng)沿Y軸負(fù)方向，除了El-Centro1(7度罕遇)是正軸方向，其余工況均為Y軸負(fù)軸方向。從圖9中，可以推斷3#墩和1#墩處支座殘余滑動(dòng)方向具有一定規(guī)律性，支座殘余滑動(dòng)方向趨勢(shì)是繞著曲線中心，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖8 各工況加速度峰值Fig.8 Acceleration peak values of each condition

圖9 1#墩和3#墩Y方向支座殘余Fig.9 Bearing accumulated residual slip at Y direction of 1 pier and 3 pier

表5 支座滑動(dòng)Table 5 Bearing slip

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)一中墩現(xiàn)澆固定的曲線橋梁的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1) 通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)從7度基本工況(臺(tái)面實(shí)際地震動(dòng)0.5 g)開(kāi)始在墩柱兩端出現(xiàn)環(huán)向裂縫，主要是受沿順時(shí)針的扭矩作用，隨著PGA的加大，扭矩作用逐漸增大，裂縫長(zhǎng)度也加寬加長(zhǎng)，當(dāng)PGA達(dá)到0.8 g的時(shí)候，開(kāi)始出現(xiàn)斜向裂縫，斜向裂縫是壓、彎、扭多項(xiàng)作用的結(jié)果，當(dāng)PGA達(dá)到1.45 g后混凝土出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象。

(2)結(jié)構(gòu)在7度多遇以前，基本完好，從7度基本開(kāi)始結(jié)構(gòu)開(kāi)始損傷，在7度罕遇地震后出現(xiàn)較大的損傷，甚至在8度罕遇下出現(xiàn)混凝土壓碎等情況，總的來(lái)看，模型的一階頻率逐漸下降，前幾個(gè)工況下降較快，說(shuō)明模型剛度退化較快，而后幾個(gè)工況下降較慢，說(shuō)明結(jié)構(gòu)進(jìn)入強(qiáng)非線性后，柔性增大，抗震耗能增強(qiáng)。

(3)1#墩和3#墩處支座殘余滑動(dòng)方向具有一定規(guī)律性，支座殘余滑動(dòng)方向趨勢(shì)是繞著曲線中心，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

(4)從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，中墩固結(jié)的單支曲線橋梁在強(qiáng)地震作用下中墩發(fā)生嚴(yán)重的破壞，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免這種結(jié)構(gòu)形式，可以采取適當(dāng)釋放中墩頂端剛度的措施，而具體如何采用的措施需要進(jìn)一步研究。