中墩固结曲线桥梁振动台试验研究

孙得璋，黄 勇，谢光明，孙柏涛，黄思凝

(1.中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080； 2.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

随着我国城市交通运输需求急剧增加，大型立体交通枢纽已在许多城市得到了迅猛地发展，为满足道路线形要求，往往需要修建许多曲线桥。由于其结构轻巧、通透度大、占地量小等诸多优点，故常常被应用于大型立体交通枢纽分离式匝道或上下引桥中。

但是独柱桥墩桥梁在地震中往往震害较重。1971年美国San Fernando地震[1]、1994年美国北岭地震[2]、1995年日本神户地震[3]、1999年台湾集集地震[4]、2008年汶川地震中，均有多座曲线桥梁发生不同程度的破坏[5-8]。图1所示为汶川地震中小半径曲线桥梁震害。很多学者通过震害、振动台试验等手段研究了曲线桥梁抗震性能。Monzon等[9]研究了模型比例为0.4的隔震曲线工字钢梁桥的台阵试验，并评估其整体性能。Abdelnaby等[10]对一个不同跨径和不等墩高的弯曲四跨桥梁进行了混合模拟试验分析，重点关注混合动力试验中桥墩的响应，桥梁结构抗震分析中广泛使用的一些建模假设是不切实际的。Wodzinowski等[11]研究了各种设计参数对曲线组合混凝土工字钢梁桥自振响应的敏感性分析.Amjadian等[12]用数值分析方法研究了地震冲击对水平弯曲桥梁在强震期间刚体运动的影响。Soleimani等[13]采用数值分析方法，研究了不同曲率曲线桥梁的抗震性能。ZhangZhi等[14]通过振动台试验研究了三跨曲线桥梁的破坏机理，并考虑土结相互作用，结论表明，与直桥相比，曲线桥梁更容易引起旋转和位移。此外，利用有限元数值分析进行分别建立了混凝土的塑性损伤模型和桩土相互作用的等效土弹簧法。Li Xi等[15]研究了一个1/10缩尺的大型曲线桥梁模型在多点多维激励下的综合试验研究.黄勇等[16]分析了不同的曲线桥梁震害，认为主梁质心偏离桥轴线是主因，导致多数震害导致沿法线方向的位移。谢晓辉等[17]阐述了在抗震方面,设计钢筋混凝土曲线桥梁的原则。时晓鹏等[18]针对地震作用下墩柱弯扭耦合引起的弯曲破坏问题,设计了2根试验墩柱,并采用拟静力试验对其抗震性能进行了研究。袁万城等[19]以一座九跨连续曲梁桥为主要算例,讨论了在不同地震波及行波效应作用下曲梁桥的反应，并对它的抗震性能也进行了评价。

图1 汶川地震中曲线桥梁震害Fig.1 Earthquake damage of curved bridges in Wenchuan Earthquake

由于曲线梁桥主梁的刚心和质心的不一致，桥墩在强震作用下比直桥的桥墩更易受到弯剪扭耦合作用，其破坏机理比直桥要复杂。由于竖向和水平地震动的共同作用，也可能表现出不对称的响应，这使曲线梁桥更容易受到破坏并可能倒塌。

为了研究小半径曲线桥梁的震害机理，本文拟通过对典型的小半径曲线连续梁桥振动台试验分析研究，讨论其中墩为固定墩曲线桥梁震害机理。

1 振动台试验

1.1 试验模型

表1 材料信息Table 1 Material information

图2 模型布置(单位：mm)Fig.2 Model layout

图3 模型配筋图(单位：mm)Fig.3 Model reinforcement

表2 物理量相似关系Table 2 Similarity relation of physical quantity

1.2 模型制作

模型主要由3部分组成，桥面，墩柱以及底座3部分组成。3个部分分别进行钢筋绑扎，然后进行混凝土现浇。在墩柱钢筋绑扎后在墩柱的两端粘贴应变贴片，以变收集钢筋的应变变化，如图4所示。

图4 试件制作Fig.4 The manufacturing of the specimen

1.3 测量

试验中分别采用了不同类型的传感器(例如压电加速度传感器，位移传感器)记录各种参数。加速度计和位移计分别布置在台面和桥面上，如图5和图6所示，加速度传感器安装在桥面和台面上，测量X、Y和Z方向的加速度，编号从A1-A12，其中A3、A6、A9和A12为Z向。位移传感器安装在墩柱顶端和桥面，仅测量X和Y方向的位移，编号从D1-D12，其中柱子顶端6个，桥面4个，台面2个，其中D11测量X向，D12测量Y向。

图5 加速度传感器俯视布置图Fig.5 The plan view of acceleration sensor layout

图6 位移传感器立面布置图FFig.6 The plan view of displacement sensor layout

地震波选取El Centro波和Taft波。由于结构不对称，地震波输入进行水平主方向交替输入，输入比例按照建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[21]规定X：Y：Z=1：0.85：0.65[20]。由于桥梁原型是7度0.15 g抗震设防，根据GB50011-2010表5.1.2-2，时程输入选用表中括号中数值，且试验中加速度放大3倍，因此，所有数值乘以3，具体如表3所示。

表3 加载工况地震动输入Table 3 Loading conditions and ground motion input

2 分析

2.1 现象分析

在7度多遇，结构未出现肉眼可观测裂缝，结构没有明显变化。7度基本情况下工况以后，结构开始出现裂缝。第8工况开始，中柱顶端出现水平细微裂缝，裂缝长度约20 cm，柱低端出现至底端向斜上方环向裂缝，长度约6 cm，继而底端也出现水平裂缝。7度罕遇工况以后，出现从柱顶端出现斜向下的裂缝，同时，两端柱顶端支座滑移量增大，沿45°角度滑移。工况达到8度罕遇的时候，柱子两端的混凝土压碎现象，裂缝相互连接，在工况19的时候，混凝土压碎现象严重，为了试验安全，试验结束，达到了预期的效果，如图7所示。由于12#钢丝的箍筋作用要比实际中的要大，因此，没有出现实际震害中类似灯笼状的震害。

图7 各个工况中墩破坏情况Fig.7 The middle pier failure in various conditions

2.2 数据分析

取白噪声激励下模型中墩处加速度传感器数据，通过峰值法，得到模型桥的基本动力特征参数，判断每组工况完成后模型变化情况。数据如表4所示。

表4 模型基本频率变化Table 4 Basic frequency change of the model

结构在7度多遇以前，基本完好，从7度基本开始结构开始损伤，在7度罕遇地震后出现较大的损伤，甚至在8度罕遇下出现混凝土压碎等情况，总的来看，模型的一阶频率逐渐下降，前几个工况下降较快，说明模型刚度退化较快，而后几个工况下降较慢，说明结构进入强非线性后，柔性增大，抗震耗能增强。

通过台面和桥面的加速度计和位移计的测量，加速度峰值如图8所示。其中，p为测点，测点布置如图5所示。可以发现：

(1)整体而言，7度多遇和7度基本工况下，主梁上3个方向的加速度峰值与台面上相应方向加速度峰值基本一致。但在七度罕遇工况和8度罕遇工况下，由于2#墩出现破坏，沿X轴和Y轴方向台面加速度峰值高于主梁相应方向的加速度峰值，但竖直方向却恰恰相反。

(2)试验中大多数工况下，1#墩处和2#墩处主梁三向加速度峰值大于3#墩处主梁。这说明针对输入的地震动，1#墩和2#墩更为敏感。

(3)在相同加速度峰值的两种地震动中，主梁沿X轴方向的加速度峰值在Taft波工况下更大；3#墩处主梁测点沿Y轴方向的加速度峰值在El Centro波工况下更大，2#墩和1#墩处主梁测点沿Y轴方向的加速度峰值在7度多遇和7度基本也有这样的规律。说明结构在不同频谱特征地震动作用下反应是有差异的。

支座的滑移(墩梁相对位移)选择相应位置处梁下部与墩上部传感器数值的差值来说明，如表5所示。将1#墩和3#墩累计的残余位移绘制于图9中。

3#墩处支座滑动沿Y轴方向均为正轴方向，而X轴方向除了El Centro1(7度基本)是X轴负轴方向，其余工况均为X轴正方向。1#墩处支座滑动沿Y轴负方向，除了El-Centro1(7度罕遇)是正轴方向，其余工况均为Y轴负轴方向。从图9中，可以推断3#墩和1#墩处支座残余滑动方向具有一定规律性，支座残余滑动方向趋势是绕着曲线中心，逆时针转动。

图8 各工况加速度峰值Fig.8 Acceleration peak values of each condition

图9 1#墩和3#墩Y方向支座残余Fig.9 Bearing accumulated residual slip at Y direction of 1 pier and 3 pier

表5 支座滑动Table 5 Bearing slip

3 结论

通过对一中墩现浇固定的曲线桥梁的振动台试验，得到如下结论：

(1) 通过试验研究发现，试验从7度基本工况(台面实际地震动0.5 g)开始在墩柱两端出现环向裂缝，主要是受沿顺时针的扭矩作用，随着PGA的加大，扭矩作用逐渐增大，裂缝长度也加宽加长，当PGA达到0.8 g的时候，开始出现斜向裂缝，斜向裂缝是压、弯、扭多项作用的结果，当PGA达到1.45 g后混凝土出现压碎现象。

(2)结构在7度多遇以前，基本完好，从7度基本开始结构开始损伤，在7度罕遇地震后出现较大的损伤，甚至在8度罕遇下出现混凝土压碎等情况，总的来看，模型的一阶频率逐渐下降，前几个工况下降较快，说明模型刚度退化较快，而后几个工况下降较慢，说明结构进入强非线性后，柔性增大，抗震耗能增强。

(3)1#墩和3#墩处支座残余滑动方向具有一定规律性，支座残余滑动方向趋势是绕着曲线中心，逆时针转动。

(4)从试验结果来看，中墩固结的单支曲线桥梁在强地震作用下中墩发生严重的破坏，在设计时应尽量避免这种结构形式，可以采取适当释放中墩顶端刚度的措施，而具体如何采用的措施需要进一步研究。