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收到时间：2016年6月21日 修订日期：2017年4月18日 接受日期：2017年5月6日
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利用振动台试验研究索滑移摩擦抗震轴承超临界斜拉桥的地震反应
Haolin Yang1 | Yutao Pang2| 盛泽天1| 新知党1| 万成园1
1同济大学土木工程防灾国家重点实验室，中国上海
概要
本文提出了一个基于1/20缩放半结构多震动台试验的缆索滑动摩擦抗震轴承（CSFAB）隔离的超临界斜拉桥的实验案例研究。 首先详细描述新版CSFAB的机械特性。 然后通过有限元模型分析介绍并验证了半结构试验方法。 稍后介绍带有4个独立摇表的测试设置。 测试模型经历了一系列增加峰值地面加速度的地面运动，首先，桥梁通过CSFAB隔离，随后通过常规滑动轴承隔离。 报告观察和测量的地震响应。 在试验过程中，CSFAB系统在轻度梁墩相对地震位移时具有较高的隔震效率，并且可以在相对位移过大时抑制梁的移动。 测试结果还表明CSFAB的自定心能力。 尽管CSFAB约束函数的有效性很明显，但约束过程中可能出现梁加速度和桥墩加速度的瞬时增加，这可能导致地震力和桥墩的弯矩增大。 因此，建议考虑到墩的强度，仔细设计电缆的最大限制力。
关键词
电缆滑动摩擦抗震轴承，超大跨度斜拉桥，半结构试验，隔震，抗震限制器，振动台试验
2加拿大魁北克省蒙特利尔理工学院土木，地质和采矿工程系
对应
同济大学土木工程防灾国家重点实验室万成元，中国上海。
电子邮件： yuan@tongji.edu.cn
资金信息
中国科学技术部国家重点技术研究与发展基金资助项目编号：2015BAK17B04; 中国科学技术部授予/奖励编号：SLDRCE14-B-14; 江西省科技计划，项目批准号：20151BBG70064; 国家自然科学基金，批准号：51278376,51478339和91315301
| 介绍
桥梁是生命线结构。 大多数桥梁的基本振动周期接近地震地面运动的主导周期。 在这种情况下，它们在地震发生时特别容易受到影响，因此需要进行特殊的抗震设计。 在目前的实践中，帮助桥梁抵御地震危害的一种有希望的方法是隔离技术，其重点在于将桥梁的基础周期从地震地面运动的主频域转移到减少地震力。 由于它对地面运动的强度和频率不敏感，滑动轴承通常用于桥梁隔离。 然而，隔离技术以扩大的上层建筑运动为代价降低了地震力。 传统的平面滑动轴承不具有重新定心能力，这会导致上层建筑的显着最大和残余的地震位移。 在强烈的地面运动或接近断层的地面运动的情况下，在最坏的情况下，用平滑轴承隔开的桥梁可能会面临碰撞，桁架脱落甚至完全坍塌[1–4]
为了克服这个缺点，研究人员在开发具有抑制能力的滑动装置方面做出了很大的努力，或者提出了滑动装置和限制装置的组合。 代表性的自定心隔离器是摩擦摆系统[5]，它可以在任何上部结构位移处为桥提供约束力。 其他能赋予结构抑制能力的隔离装置包括但不限于双球形隔离轴承[6,7]和滚子隔离轴承[8,9]。然而，更常见的是滑动隔离器和附加限制装置的组合。 包括钢绞线和钢丝绳在内的电缆通常用作额外的地震
结构设计高规格构建。 2017; 26：e1398。 https://doi.org/10.1002/tal.1398
wileyonlinelibrary.com/journal/tal
版权copy;2017 John Wiley＆Sons，Ltd. 1 18
[10–12]随着材料技术的发展，近年来采用形状记忆合金（SMA）赋予桥梁不但约束而且明显的自定心[13,14]但迄今为止，SMA尚未广泛用作地震抑制剂，因为它可能不是一种理想的高性价比产品。 弹簧包括限制器[15–17]和剪切杆止动器[18]是其他复杂的类型。 但装备前者的结构通常是建筑物而不是桥梁，后者在实际项目中还没有被广泛研究或应用。
在中国，滑动轴承和电缆限位器的组合被称为电缆滑动摩擦抗震轴承（CSFAB）系统。 该轴承的早期版本已经过测试[19]，并在中国杭州九堡桥项目中使用[20]，如图1所示。但早期CSFAB的电缆不能同时工作，这是不经济的。 更重要的是，它们不可替代。 因此，最近已经提出，制造和测试了一个优化版本[21]。以前对这种轴承的研究证实了它在隔离桥梁和抑制过度上部结构运动方面的有效性。 但是，迄今为止，这种轴承还没有在真正的地震或振动台试验中进行过测试。 这种轴承是否能够正常运行，或者在严重的动态载荷下如何影响整个桥梁，仍有待揭示。
作为评估地震策略和隔震装置的一种方法，震动台试验已被广泛用于在震级和加载率方面重现地震激励的能力。 各种具有抑制能力的隔离系统已经通过包括滚动式隔离器[9]和SMA电缆限制器在内的这种技术进行了测试[13]。本研究报告了一种六柱式超剂量半结构模型的振动台试验通过优化的CSFAB分离的斜拉桥。 该试验在同济大学多功能振动台实验室[22,23]进行，振动台试验系统由四个独立的振动台组成。 由于其能够承载大型桥梁模型，因此选择了多重摇表测试方法进行此测试，这有助于避免尺寸对结果的影响，并使测试结果更接近工程实践。 考虑到实验室的大小，而不是一个完整的模型，使用具有边界条件设备的半桥模型来进行该测试。
在本文中，新的CSFAB首先被详细描述。 预先在CSFAB装置上进行循环测试，并报告结果。 请注意，此设备与振动台测试中使用的那些CSFAB相同。 然后介绍原型桥。 随后，提出了半结构试验方法并通过数值分析进行验证。 之后，测试设置被提供，包括模型缩放，模型组件，边界条件设备和加载协议。 测试模型经历了一系列增加PGA的地面运动，首先，桥被CSFAB隔离，随后通过传统的滑动轴承隔离。 提出并分析了结构的视觉观察，加速度，位移等测试结果。 根据这些分析，提出了一些调查结果和讨论。 最后，得出几个结论。
| 电缆滑动摩擦抗震轴承
典型的电缆滑动摩擦抗震轴承或CSFAB由具有滑动能力的轴承（例如球面轴承和盆式轴承）和一组限制电缆组成。 图2显示了当前CSFAB的示意图。 它由一个典型的球面轴承，在相对两侧具有相同长度的松散弹性电缆和两侧挡板来固定电缆。 采用这种设计，所有电缆都可以正常工作
图1电缆滑动摩擦抗震轴承的早期版本
图2电缆滑动摩擦抗震轴承，电缆滑动摩擦抗震轴承
同时在任何给定的方向上过度位移并且电缆是可更换的。 与旧设计相比，新型CSFAB更经济，并保证将来更新不同长度或材料的传统电缆或电缆。 图3显示了轴承的本构关系。
该设备主要由两个操作阶段组成。 在第一阶段，摩擦阶段，轴承位移保持在u1内，并且轴承应该与传统的滑动轴承相同。 在第二阶段，约束阶段，轴承位移超过u1，并且松动的缆索变紧以约束轴承。 Yang等[21]发现CSFAB关键参数的详细设计方法和计算公式，
| 横向约束位移设计（u1）
这种装置的一个独特功能是它的抑制能力。 但是，何时抑制轴承的进一步移动至关重要。 换句话说，你1应该仔细设计。 如果太小，电缆可能妨碍桥梁上部结构由蠕变，收缩或温度变化引起的日常移动。 如果它太大，它可能不履行其承诺，防止碰撞或上层建筑分离。
图4显示了轴承电缆的几何关系。 在该图中，h代表电缆头部和尾部之间的垂直空间。 u1表示设备的横向约束位移。 根据毕达哥拉斯定理，电缆长度l的实际值可以通过求解方程1来获得。
l frac14;Qu2thorn;h2: (1)
1
在这项研究中，u1设计为18毫米，h为100毫米。 因此，使用101.6mm长的电缆时，CSFAB应在设计的横向位移处限制轴承运动。 请注意，这个u1是基于工程判断而设计的，并不一定反映原型桥梁项目的实际u1。
| 模型轴承的循环测试
在这项研究中，为了使振动台测试符合标准，制造了CSFAB型号，如图5b所示。 该装置的细节如图6所示。主要部件由钢制成，滑动接触表面是由硅脂润滑的PTFE不锈钢。 它每边有六根电缆。 电缆由钢丝绳制成。 它还有两个对准孔，以帮助在每次振动台测试后重新定位桥模型。 如前所述，u1设计为18毫米。
在振动台测试之前，首先对CSFAB进行循环测试。 请注意，此测试设备与那些CSFAB相同
被用于振动台测试。 然后将CSFAB上的电缆取下，将CSFAB转换成传统的滑动轴承。 然后再次对常规轴承进行循环测试。 图5a显示了与之前的CSFAB原型研究相同的测试设置[21]在该测试过程中，在垂直负载为200的情况下，将三个具有20mm的峰值的正弦位移顺序置于水平致动器中KN。 图7a显示了具有明显的缆线约束行为的滞后回路。 数据显示装置的摩擦系数约为0.02，横向约束刚度k2（见图3）的线性拟合值为6,819 kN / m。 与图7b中的传统轴承的滞后环相比，图7a中的数据还表明，即使在摩擦阶段，该装置也显示出小的自定心能力（线性拟合值等于131kN / m），其应该根据设计概念不会发生。 它是
图3电缆滑动摩擦抗震轴承的本构关系
图4电缆的几何关系
图5伪静态测试
图6经过测试的电缆滑动摩擦抗震轴承详图，单位：mm
图7测试轴承的滞后回路
这种自定心能力可能来自弯曲的钢丝绳。 在设计理念中，这些绳索应该像棉线那样柔软，只能提供拉伸刚度。 但是，真正的钢丝绳具有弯曲刚度。 而这种弯曲刚度可能是这种自我居中行为的原因。
| 原型桥
原型桥是位于中国江西省的南昌朝阳大桥[24]，其高程如图8所示。它是一座对称的六塔式超大斜拉桥，塔架固定在主梁上，大梁通过轴承与桥墩连接。 如图9所示，这是一个带有波纹钢腹板的混凝土箱梁，总长度为918米。 钢筋混凝土（钢筋混凝土）塔架纵向设计为人字形，高度为45米，每边有9套双索面参与加固梁。 RC码头的平均高度为23米。 原始结构设计中的P15和P20采用电缆滑动摩擦抗震轴承。 传统的球面轴承安装在其他四个主墩（P16至P19）和两个侧墩（P14和P21）上。
图8南昌朝阳桥的仰角
图9桥梁细节，单位：毫米
| 半结构试验方法
考虑到原型桥与八个桥墩是对称的，为了简化测试模型并降低测试成本，提出了半结构测试方法。 另外，本研究侧重于结构的纵向地震响应，并没有考虑地震动的空间变异效应。 换句话说，地震荷载同时作用于模型的纵向，这也使得桥梁的中心也是非对称的。 因此，在对称轴上提供的反对称边界条件（即仅提供垂直支撑的铰链），由三个主墩和一个侧墩组成的简化半结构模型应该与原始结构的行为相同，如图10。
图10半结构测试方法示意图
为了验证半结构试验方法，建立了两个有限元模型，即原型桥模型（Original模型）和桥中心（半结构模型）具有非对称边界条件的半桥模型，并对其进行正弦加速度波（由位于1995年大学的计算机和结构有限公司出版的），使用SAP2000 v.15（峰值0.33g）和El Centro地面运动（PGA 0.313g，1940 Imperial Valley地震，PEER提供的El Centro Array＃9站） Ave，Berkeley，CA 94704）。 图11显示了动态负载。 两个模型的动态响应在图12中进行了说明和比较。表1显示了两个模型的最大动态响应。
图11动态负载的时间历程
图12原始结构和半结构有限元方法模型的动态响应时间历程
表1原始结构和半结构有限元方法模型的最大动态响应
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加载 |
模型 |
＃15码头加速度（g） |
梁加速度（g） |
＃15塔顶加速度（g） |
＃15轴承位移（mm） |
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正弦波 |
原版的 |
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