考虑板式支座滑动效应的桥梁振动台试验研究

王凯睿，徐秀丽，李雪红，李枝军，田国伟，刘伟庆

(南京工业大学 土木工程学院，南京 210009)

考虑板式支座滑动效应的桥梁振动台试验研究

王凯睿，徐秀丽，李雪红，李枝军，田国伟，刘伟庆

(南京工业大学 土木工程学院，南京 210009)

在地震作用中，板式橡胶支座的滑动现象普遍存在，并可能导致梁体移位过大、梁体碰撞甚至落梁等一系列的连锁反应。通过试验对板式橡胶支座的滑动问题进行了研究；试验结果表明：高速公路典型桥梁中板式橡胶支座在还未达到设防地震作用就会发生滑动，很难满足《公路桥梁抗震设计细则》中规定的板式橡胶支座在地震作用下不允许发生滑动的要求；板式橡胶支座上表面先与下表面发生滑动，并且支座上表面滑动也更为频繁、尺度也更大；板式橡胶支座的滑动具有一定的隔震作用，可有效减小桥梁结构的地震反应，但这种隔震作用极不稳定；下部结构的大变形会使支座发生卡压，阻止其滑动位移的进一步扩大，间接发挥了防落梁作用。试验中板式橡胶支座间存在不均匀受压，导致部分桥墩受力过大而提前失效。

桥梁；振动台试验；板式橡胶支座；滑动；隔震

通过对国内常采用的板式橡胶支座桥梁震害的深入调查发现，板式橡胶支座在地震作用下容易产生滑动，从而导致主梁移位过大，进而引发梁体间碰撞及与挡块碰撞，严重者甚至会发生落梁[1-2]。另外碰撞还会对下部结构产生较大的影响，可能导致桥墩迅速屈服，增加垮塌的危险[3]。

国内外学者对板式橡胶支座滑动可能发生的位置一直没有定论，通常认为支座的上下两个表面均可能发生滑动，但对震害调查发现典型梁式桥中板式橡胶支座的滑动主要发生在板式橡胶支座上表面与梁底的接触面上[4-5]，所以目前对板式橡胶支座滑动机理的认识还存有一定的局限性，需要做深入的研究。

板式橡胶支座滑动后可以对桥梁上部结构起到一定的隔震作用[6]，这一点从汶川地震的震害中已得到印证。但这种滑动隔震究竟有多大的效果，在桥梁抗震设计中是否可以对这一有利现象加以利用，目前对这一问题的研究很少。Filipov等[7-9]对一种采用改进的板式橡胶支座的准隔震桥梁体系进行了一系列的研究，结果也印证了准隔震体系的地震反应有很大的不确定性。众多学者进行的研究都偏重于滑动之后的梁体限位和碰撞问题[10-12]，但对支座滑动行为及其对桥梁下部结构地震反应的影响研究不足。

本文以高速公路上的中等跨径典型连续梁桥为原型，开展了缩比模型振动台试验，记录了板式橡胶支座的滑动行为，对比分析了各工况下结构的动力特性、加速度反应和板式橡胶支座滑动的相互影响规律。试验结果可为板式橡胶支座桥梁的抗震设计提供参考。

1 振动台试验概况

1.1 模型相似比

振动台试验模型相似关系的确定是试验设计的关键。本次振动台试验[13]的原型结构为典型连续梁结构，共3跨(3×30 m)，总长90 m。在综合考虑振动台性能参数、施工条件和吊装能力等因素后，确定三个基本量几何相似比SL=1/20、加速度相似比Sσ=1和应力相似比Sa=1，然后根据量纲分析法推导出其他参数的相似关系，具体相似关系见表1。

表1 模型相似关系Tab.1 Similitude relation of quantities

1.2 模型及材料设计

根据相似关系，对支座比例缩尺的试验模型(桥跨3 m×1.5 m)，如图1所示。

图1 振动台试验模型Fig.1 Bridge model of shaking table test

本次试验主要研究在纵向地震作用下桥墩和支座的地震反应，主梁的模拟重点在于对其质量的模拟，为方便模型制作和配重施加，将主梁设计成单箱截面。考虑到板式橡胶支座在地震作用下，存在下表面发生滑动的可能性，因此为提供足够的滑动空间，模型中对盖梁宽度进行了适当的加宽。桥墩直径75mm，墩高500mm，模型的混凝土强度相似比为1∶1，采用C30混凝土，钢筋及混凝土材料性能参数见表2。

表2 钢筋及混凝土的力学性能参数

Tab.2 Parameters of reinforcing bars and concrete

MPa

1.3 板式橡胶支座设计

以满足全桥结构动力特性相似关系为原则设计板式橡胶支座，支座的水平等效刚度为250 kN/m，支座构造图及支座成品照片，见图2。

图2 板式橡胶支座Fig.2 The laminated rubber bearing

1.4 试验测量设备及工况

在底座、墩顶和主梁上布置加速度传感器，在桥墩钢筋上布置了应变片来测量墩底的钢筋应变，见图3。利用摄影测量技术进行位移测量，在、、Ⓒ、四个轴线墩架设摄像机，通过支座及桥墩墩身上布设标靶测点的动态位移视频得出测点的实测位移[14]。

图3 加速度传感器及应变片布置Fig.3 Arrangement of accelerometer and strain gauge

根据试验目的、先期的理论计算和有关地震波的特性，选用El-Centro地震波、根据规范反应谱以能量相等原则拟合得到的规范反应谱模拟地震波(简称拟合波)以及安评报告提供的原型结构桥址处的人工地震波(简称人工波)作为本次试验的地震动输入，见图4。

试验按从小到大的顺序加载，加载的顺序依次为0.15g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g，共计28个工况。在不同峰值加速度地震波输入阶段前后，对模型进行白噪声(0.05g)扫频，测量结构的动力特征参数。

图4 试验加载的地震波Fig.4 Seismic waves of test

2 试验结果分析

2.1 试验现象及动力特性

本次试验按试验工况逐次加载，再现了桥梁结构在地震中的反应现象，地震反应随着地震动峰值加速度的增大而愈加剧烈。板式橡胶支座在地震中会发生滑动现象，且随着地震动强度的增大而愈加严重。对比支座上下表面的滑动情况可以看出，支座上表面比支座下表面容易滑动，并且滑动幅度也比下表面大很多。最后桥墩墩底破坏严重，桥墩变形很大，但此时支座的滑动由于支座被卡压后而得到限制。

图5 模型频率统计Fig.5 Frequency statistics of model

对峰值加速度地震波输入后的扫频工况频谱分析结果进行统计，见图5。从图5可知，在0.3g地震波输入前结构的频率略有下降，说明结构基本处于弹性状态，0.3g地震波输入后，结构频率明显下降，结构破坏损伤进入塑性状态。所有工况完成后结构自振频率与初始频率相比下降了约30%，结构破坏严重。

2.2 支座滑动特性分析

试验中主要测量了板式橡胶支座上表面滑动位移、下表面滑动位移、支座变形、上下部结构相对位移及墩顶位移，下面根据试验结果，对支座的滑动行为及其规律进行分析。

2.2.1 板式橡胶支座上、下表面滑动行为

在整个试验过程中，支座的上、下表面均产生了滑动现象，且上表面的滑动幅度远大于下表面。支座上表面在地震动峰值加速度0.2g作用下就发生了明显的滑动现象，并且产生了残留位移，此时尚未达到桥梁结构的抗震设防烈度。高烈度地震作用下，支座下表面在地震动峰值加速度0.4g作用下开始出现滑动现象，但滑动幅度较小，且基本没有产生残留位移。

2.2.2 上下部结构相对位移

仍以A-1支座为例，图7给出人工波各工况下上、下部结构的相对位移时程曲线。板式橡胶支座桥梁在地震作用下，上、下部结构的相对位移是支座的变形与支座滑动效应的叠加。

从图7可知：随着地震动加速度峰值的增大，上、下部结构相对位移逐渐增大，但当地震动达到一定强度后，上、下部结构相对位移基本稳定。本试验模型最后是由于下部结构发生了充分的延性而破坏，而非落梁破坏，是一种较理想的破坏模式。但若下部结构较强，支座的滑动将不会受到卡压的影响，上、下部结构间的相对位移有可能较大甚至落梁，此时需注意防落梁措施的设计。

图6 板式橡胶支座上、下表面滑动情况Fig.6 The slipping station of the laminated bearings

图7 上、下部结构相对位移Fig.7 The relative displacements between upper and under structure

2.3 板式橡胶支座桥梁地震反应特性分析

本文对各工况下主梁加速度与墩顶加速度进行对比分析，出于篇幅考虑在此也仅给出了人工波各试验工况下加速度反应情况，见图8。

地震动输入峰值加速度小于0.3g时，板式橡胶支座就已出现滑动现象，但结构基本处于弹性状态。对比支座滑动前后上下部结构的地震反应(见图8(a)与图8(b))可知，支座滑动后产生了比较明显的隔震效果，并且随着地震动加速度的增大，支座的隔震效果越明显。

输入地震动峰值加速度0.5g后，桥墩塑性铰发展严重，结构处于塑性状态。由图8(c)和图8(d)可知，墩顶加速度开始减小，地震动峰值加速度0.6g时墩顶加速度仅0.3g，说明结构的弱化减弱了地震动的传递。

2.4 桥梁下部结构损伤对支座反应的影响

从图9可知：在峰值加速度0.3g地震动作用下，桥墩钢筋发生了首次屈服；在峰值加速度0.4g和0.5g地震动作用下桥墩屈服严重，有较大的残余应变；在峰值加速度0.6g地震动作用下由于钢筋应变过大而导致应变片失效。

图8 人工波各工况主梁与墩顶加速度对比Fig.8 Comparative analysis on acceleration time-history between main girder and cap under the modes of the artificial acceleration wave

图9 墩底钢筋应变Fig.9 The statistics of pier bottom bar strain

A-1号板式橡胶支座的变形峰值情况见图10，结合桥墩的屈服情况，可以看出在桥墩发生屈服之前，支座的变形随着地震动的增大而增大；在桥墩发生屈服后，支座变形随着地震动的增大而减小。这种现象说明，桥墩屈服后，板式橡胶支座本身低剪切刚度而产生的隔震作用被下部结构刚度的降低而弱化。

图10 支座变形峰值Fig.10 The deformation peak values statistics of bearing

图11 桥墩变形及支座变形与卡压Fig.11 Deformation of pier and bearing

2.5 支座间不均匀受压对支座滑动的影响

实际工程中会存在支座间不均匀受压的现象，本试验也发现支座不均匀受压的情况也确实存在。由于存在支座间不均匀受压的情况，轴线、轴线因支座的摩擦力较小，支座容易发生滑动，Ⓒ轴线、轴线因摩擦力较大，支座滑动不明显，如图12所示。

图12 各轴线上支座滑动情况Fig.12 The bearing slipping station of different axis

需要说明的是：在对称结构上，由于支座的不均匀受压导致通过摩擦力传递的地震反应不对称，从而会产生扭转效应，导致部分截面的受压过大。墩柱顶部在扭矩作用下发生开裂，如图13所示。

图13 墩顶裂缝Fig.13 Cracks in the pier top

2.6 支座滑动的隔震效应

图14 各轴线地震反应对比Fig.14 The comparison of earthquake response between different axis

人工波峰值加速度为0.15g、0.3g和0.4g地震动作用下，A-1桥墩和D-1桥墩墩底钢筋应变对比，如图15所示。

图15 A-1、D-1墩底钢筋应变对比Fig.15 The rebar strain comparison between A-1 and D-1

对比分析以上各图可以看出：在支座未发生滑动时，A-1墩底钢筋应变与D-1墩底钢筋应变基本一致，说明此时两桥墩受力水平相当(见图15(a))；在支座发生滑动后，由于A-1支座滑动明显，D-1支座滑动微弱，两者地震反应出现了差异，A-1墩底应变明显小于D-1墩底应变，在地震动输入完成后A-1墩底钢筋没有出现残余应变，而D-1墩底钢筋出现了明显的残余应变(见图15(b))；当A-1支座与D-1支座滑动差异加大后，A-1桥墩与D-1桥墩的地震反应差异度变得更大(见图15(c))。

3 结 论

本文以典型高速公路连续梁桥为原型设计制作了振动台试验模型，试验较好地呈现了板式橡胶支座在地震作用下的滑动现象，得到的主要结论如下：

(1) 板式橡胶支座由于刚度较小具有一定的隔震作用；支座滑动后，支座的隔震效果更加明显；板式橡胶支座的滑动降低了结构加速度的反应，对减小桥梁地震反应有积极作用，但这种隔震作用不稳定，因此难以定量。

(2) 板式橡胶支座上下表面均发生了滑动现象，上表面先于下表面滑动，且上表面的滑动距离也远大于下表面板式橡胶支座的滑动容易导致上下部结构间产生较大的相对位移，实际工程中应根据板式橡胶支座的滑动特点采取限位措施。

(3) 在试验中由于桥墩损伤和刚度弱化，导致支座发生倾斜并在支座边缘与主梁发生卡压，支座的这种非正常工作状态，在一定程度上对桥梁抗震是有利的。合理设置下部结构，可使桥梁在地震作用下获得理想的破坏模式。

(4) 板式橡胶支座间的不均匀受压会使结构产生扭转效应，导致对称轴线上构件的地震反应不同，导致部分桥墩或支座受力过大而提前失效，对桥梁抗震非常不利。在实际工程中，应保证施工质量尽量减少支座间的不均匀受压。

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A study of the concrete continuous girder bridge shaking table test considering the sliding of laminated rubber bearings

WANG Kairui, XU Xiuli, LI Xuehong, LI Zhijun, TIAN Guowei, LIU Weiqing

(Department of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China)

The sliding of rubber bearings (RB) was a common phenomenon under seismic excitation, which causes a series of chain reaction, consisting of larger displacement of girder, collision among girders, and even girder falling. The sliding problem of RB was studied through experiments in this paper. The results show that: RB of typical highway bridges will slide less than the seismic load of fortification intensity. It is difficult to meet the requirements of ‘Guideline for Seismic Design of Highway Bridges’, which prescribes that RB is not allowed to slide under earthquake action. The upper surface of RB will slide earlier than the lower surface and the sliding frequency and extend are also greater for the upper surface. The sliding of RB has a certain isolation effect, which can effectively reduce the seismic response of the bridge. However, the isolation effect is unstable. The bearing lock-pressure caused by the large deformation of the lower part of the structure will prevent further expansion of the sliding displacement, which indirectly play a role in preventing the girder falling. The uneven pressures among the bearings will cause a local larger stress of some piers, which may lead to an earlier failure of piers during earthquake.

bridge; shaking table test; rubber bearing; slide; isolation

国家自然科学基金资助项目(51178220)；江苏省交通运输科技项目(2013Y12)；江苏省科技支撑计划(BE2014716)

2016-01-11 修改稿收到日期： 2016-03-20

王凯睿 男，博士生，1986年生

徐秀丽 女，博士，教授，硕士生导师，1963年生

U443.36+1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.012