謝瑋 劉洋 李濤

我國是一個地震多發(fā)的國家,歷史上曾發(fā)生過多次強(qiáng)烈地震,其中1976年的唐山地震,結(jié)構(gòu)物破壞之嚴(yán)重,經(jīng)濟(jì)損失之巨大,人員傷亡之慘烈,實(shí)為世界地震史上所罕見。從某種意義上說,是唐山地震帶來的巨大危害推動了我國橋梁抗震研究工作的迅速開展,唐山地震后,我國橋梁抗震研究工作才得到重視。

我國從唐山地震后灤河大橋抗震試驗(yàn)開始,以同濟(jì)大學(xué)范立礎(chǔ)教授學(xué)科組和鐵道部大橋局橋科院為代表的科研組先后進(jìn)行了橋梁地震模擬振動臺試驗(yàn),推進(jìn)了我國橋梁抗震研究的發(fā)展。在丫髻沙特大拱橋、南浦大橋、海滄大橋、武漢長江二橋等大橋的抗震性能研究過程中,都進(jìn)行過地震模擬振動臺試驗(yàn)[1]。

鑒于橋梁結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)研究工作將對今后橋梁抗震理論研究以及橋梁抗震設(shè)計、加固具有重大意義,本文就國內(nèi)所進(jìn)行的橋梁結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)研究予以系統(tǒng)的分析和綜述,并在此基礎(chǔ)上對橋梁結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)研究的發(fā)展方向做了簡要探討。

1 橋梁結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)研究概況

鑒于1976年唐山大地震給人民帶來的巨大生命財產(chǎn)損失,我國于1978年9月成立了模擬地震振動臺聯(lián)合研制小組,并于1983年8月成功研制了3 m×3 m的單水平向模擬地震振動臺,填補(bǔ)了我國的空白[2]。此后,我國進(jìn)行了一系列的結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)研究。

1.1 拱橋模型振動臺試驗(yàn)研究

近些年,我國西南、華南、西北和華北平原一些強(qiáng)震區(qū)建設(shè)了大量的鋼管混凝土拱橋[3]。由于鋼管混凝土拱橋的發(fā)展時間不長,還未經(jīng)受實(shí)際強(qiáng)震的考驗(yàn),迄今還未見其震害報道。而其動力性能和抗震設(shè)計方面的研究也剛起步,首先由四川大學(xué)熊峰教授于2001年完成了下承式單圓鋼管平行拱肋鋼管混凝土拱橋模型振動臺試驗(yàn),填補(bǔ)了我國鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)動力特性和抗震性能振動臺試驗(yàn)研究的空白[4]。

該振動臺試驗(yàn)的鋼管混凝土模型拱原型為江蘇某拱橋的拱肋,拱曲線為二次拋物線。模型按 1∶10縮尺,跨徑為6 m,矢高1 m,拱肋鋼管采用φ 76×1 mm不銹鋼無縫單圓鋼管,內(nèi)灌C30混凝土。沿拱肋設(shè)橫撐5道,間距1 m,采用φ 60×1 mm不銹鋼無縫鋼管,管內(nèi)不灌混凝土[4]。振動臺試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,結(jié)果表明,鋼管混凝土拱橋具有較好的抗震性能,拱肋在橫向地震動作用下受力較縱向地震動作用下受力為不利,拱橋的最后破壞形態(tài)為橫向失穩(wěn)。此后,同濟(jì)大學(xué)博士研究生徐艷又對上述振動臺試驗(yàn)進(jìn)行了深入的分析,認(rèn)為拱橋最后的橫向失穩(wěn)有三種可能:1)由于疲勞累積先使拱腳屈服產(chǎn)生塑性鉸,結(jié)構(gòu)橫向剛度不足而失穩(wěn);2)由于拱體先發(fā)生彈性失穩(wěn),然后因幾何變形過大使拱腳出現(xiàn)局部鋼管屈服而失穩(wěn);3)二者兼有[3]。其失穩(wěn)形態(tài)究竟如何,尚未有定論,要真正認(rèn)識鋼管混凝土拱橋橫向失穩(wěn)的破壞機(jī)理,還有待于進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

除鋼管混凝土拱橋模型振動臺試驗(yàn)外,武漢理工大學(xué)工程結(jié)構(gòu)振動研究中心于2005年對萬州長江大橋模型進(jìn)行了振動臺試驗(yàn)。考慮到振動臺臺面尺寸和配重的約束,以ABS有機(jī)塑料和銅片為原材料,按1∶100的縮尺比制作該橋的欠質(zhì)量模型,置于3 m×3 m的一維單向振動臺上進(jìn)行地震模擬振動臺試驗(yàn)[1,5],進(jìn)而對其抗震性能進(jìn)行分析與研究。

1.2 高架橋抗震性能研究

在近幾次的大地震中,許多高架橋都遭受了不同程度的損傷[6]。高架橋是城市交通的主動脈,對其進(jìn)行抗震性能振動臺研究具有重大的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。

1994年同濟(jì)大學(xué)配合上海市內(nèi)環(huán)線高架橋非線性地震反應(yīng)分析,曾做過1∶15縮比,四跨一聯(lián)的連續(xù)梁模型地震模擬振動臺試驗(yàn),試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證抗震理論假定、分析方法的合理性和計算機(jī)模擬分析的可靠性[7]。第二年,因上海市成都路獨(dú)柱式多層立交結(jié)構(gòu)抗震研究的需要,同濟(jì)大學(xué)又進(jìn)行了高墩地震模擬振動臺試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,橋墩的橫向地震反應(yīng)大于其縱向地震反應(yīng),模型墩的屈服破壞發(fā)生在根部。

2009年彭凱等對獨(dú)柱雙層高架橋縮尺模型進(jìn)行了模擬地震振動臺試驗(yàn),測試了結(jié)構(gòu)水平向加速度、位移等反應(yīng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明:獨(dú)柱雙層高架橋在水平方向的地震反應(yīng)主要取決于對應(yīng)方向前2階振型貢獻(xiàn);墩柱開裂后,隨調(diào)幅地震波的次第輸入,結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)隨關(guān)鍵自由度最大地震位移增長呈分段線性、梯級上升趨勢,并在接近屈服前收斂為常數(shù),此時墩柱截面有效剛度宜根據(jù)截面彎矩曲率關(guān)系分析確定。

1.3 橋梁結(jié)構(gòu)減震、隔震體系振動臺試驗(yàn)研究

對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震、隔震設(shè)計是提高橋梁抗震性能的有效手段之一。對模型橋進(jìn)行地震模擬振動臺試驗(yàn),是研究橋梁在地震作用下減震、隔震性能的重要途徑,但就橋梁減震和研究減震效果而進(jìn)行的全橋模型振動臺試驗(yàn)并不多。李加武博士等為了研究在地震作用下阻尼、支撐剛度、墩高度對橋梁減震性能的影響,于2000年在長安大學(xué)測試分析中心進(jìn)行了由兩跨簡支梁臨時固接而成的連續(xù)梁模型振動臺試驗(yàn)。為了進(jìn)行對比試驗(yàn),制作了兩個試驗(yàn)?zāi)Ｐ?1)無附加阻尼裝置模型;2)有附加阻尼裝置模型。模型梁采用10 mm厚有機(jī)玻璃制作,梁由位于墩頂?shù)臐L動軸承支撐,墩的高度可以調(diào)節(jié),以便研究不同墩高對橋梁減震性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,通過調(diào)整橋梁的阻尼和支承剪切剛度可以達(dá)到減震的目的,反應(yīng)墩剛度的墩高、斷面形式和支座剪切剛度的合理組合可作為橋梁減震方法之一,同時附加阻尼提供的剛度會改變橋梁動力特性,從而影響橋梁的減震效果。

在橋梁隔震方面,同濟(jì)大學(xué)于1986年進(jìn)行了無墩臺簡支梁模型振動臺試驗(yàn)[7],用于研究滑板橡膠支座的隔震效果,得知具有較好的隔震性能。而對橋梁結(jié)構(gòu)隔震體系進(jìn)行較為系統(tǒng)的振動臺試驗(yàn)研究的,則是廣州大學(xué)的張俊平、周福霖等。他們以三跨簡支梁橋模型,就傳統(tǒng)支座橋梁、滑板支座隔震橋梁、橡膠支座隔震橋梁進(jìn)行了模擬地震振動臺對比試驗(yàn),共進(jìn)行了三個烈度、三種試驗(yàn)波、兩個方向、三種支座、四組支座參數(shù)、兩類(Ⅱ類、Ⅲ類)場地條件的百余次試驗(yàn)。模型以南疆鐵路某三跨簡支梁為原型,按1∶20縮尺,梁長850 mm,模型梁用型鋼制作,配重由鉛塊提供,并安置了三種支座:1)傳統(tǒng)支座;2)滑板隔震支座;3)橡膠隔震支座,且場地條件可變。測試結(jié)果表明,與傳統(tǒng)支座相比,滑板隔震支座、橡膠隔震支座均有明顯的隔震效果;而橡膠隔震體系較之滑板隔震體系,隔震效果好、產(chǎn)生副作用的情形少、性能穩(wěn)定、參數(shù)可調(diào)性強(qiáng),具有廣泛的適應(yīng)性和適用性,是一種較為理想的橋梁隔震體系。

2008年韓強(qiáng)等對方形鉛芯支座隔震連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了模擬地震振動臺試驗(yàn),研究多維地震作用下隔震梁橋結(jié)構(gòu)振動特性和隔震效果,隔震支座兩水平正交方向力—變形關(guān)系以及豎向性能等。試驗(yàn)結(jié)果表明:大地震時除要對隔震支座水平剛度進(jìn)行合理設(shè)計外,尚需要考慮橡膠支座豎向力承受拉力的情況;不同烈度地震動輸入時,隨地震動烈度的增大,橋墩的絕對最大應(yīng)變值也隨之增大,在相同的地震烈度輸入,單向、雙向和三向地震動輸入時,橋墩的絕對最大應(yīng)變值變化不大,幾乎相等。

1.4 樁—土—橋梁結(jié)構(gòu)相互作用振動臺試驗(yàn)研究

幾次著名大地震中有關(guān)樁基礎(chǔ)的震害分析表明:與建筑工程中的樁基震害相比,橋梁工程中的樁基震害普遍較重,1975年海城地震和1976年唐山地震時許多橋梁震害就是由樁基破壞引起的,而且橋梁樁基震害常常導(dǎo)致落梁、橋墩倒塌等嚴(yán)重后果。因此,了解橋梁樁基破壞機(jī)理,開展橋梁樁基抗震研究就顯得尤為重要。進(jìn)行樁基地震模擬振動臺試驗(yàn)是達(dá)到這一目的的有效手段,國內(nèi)最早進(jìn)行樁基振動臺試驗(yàn)的是劉惠珊和喬太平(1984年)、劉惠珊和陳克景(1991年),其目的在于研究樁基在液化土中的破壞機(jī)理。真正的樁—土—橋梁結(jié)構(gòu)相互作用振動臺模型試驗(yàn),則是由范立礎(chǔ)和韋曉率先在國內(nèi)開展,試驗(yàn)于1999年2月～7月在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

試驗(yàn)結(jié)果表明,對于相同樁基形式和墩頂荷載的單柱墩和雙柱墩來說,雙柱墩結(jié)構(gòu)更有利于橋墩結(jié)構(gòu)抗震,但對樁基抗震不利;單柱墩對抗震不利,是因?yàn)閱沃諞]有足夠的側(cè)向約束,易形成樁—土脫離,加之上部結(jié)構(gòu)的慣性力作用,很容易引起單樁墩柱彎曲剪切破壞。

有鑒于此,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的凌賢長教授等首次進(jìn)行了液化場地樁—土—橋梁結(jié)構(gòu)動力相互作用大型振動臺試驗(yàn)研究。

結(jié)果分析表明:砂層液化與否,對樁—柱墩的動力反應(yīng)影響很大;液化場地條件下,與自由場地地基相比,非自由場地地基的自振頻率明顯加大,而動力耗能作用則提高較小。需要指出的是,限于此類研究的現(xiàn)有水平,此次試驗(yàn)只是含有一定量化的定性試驗(yàn),要更深入地了解液化場地樁—土—橋梁結(jié)構(gòu)地震相互作用反應(yīng)規(guī)律,有待進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

2 結(jié)語

本文就國內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)的一些研究情況及結(jié)果做了簡要介紹,并指出當(dāng)中還存有疑問,以及今后需進(jìn)一步研究的地方,并對橋梁結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)研究的發(fā)展方向進(jìn)行了初步探討,為今后進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)研究的工作人員提供必要的參考。

[1]孫五一.萬州長江大橋地震模擬振動臺試驗(yàn)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.

[2]黃浩華.3×3 m模擬地震振動臺[J].地震學(xué)報,1986,8(1):72-78.

[3]徐 艷.鋼管混凝土拱橋的動力穩(wěn)定性能研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,2004.

[4]熊 峰.鋼管混凝土拱橋抗震性能研究[D].成都:四川大學(xué)博士學(xué)位論文,2001.

[5]瞿偉廉,孫五一,周 強(qiáng).萬州長江大橋欠質(zhì)量模型振動臺試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2005,27(8):45-48.

[6]彭天波.雙層高架橋的擬動力試驗(yàn)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,2003.

[7]范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.