考虑土_结构相互作用的多跨连续梁桥振动台阵试验研究_闫晓宇

第46卷第11期2013年11月土木工程学报CHINA CIVIL ENGINEEＲING JOUＲNALVol．46Nov．No．112013基金项目：国家重点基础研究发展“973”计划（2011CB013603）、国家自然科学基金（91315301）作者简介：闫晓宇，博士研究生收稿日期：2013-01-08考虑土-结构相互作用的多跨连续梁桥振动台阵试验研究闫晓宇1李忠献1李勇2杜修力2（1．天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津300072；2．北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京100124）摘要：土-结构相互作用（SSI ）对软土地基上桥梁结构地震响应的影响不可忽略。

通过对一座1ʒ10比例的四跨高架连续梁桥模型的振动台阵试验，系统地分析了SSI 效应对大跨度连续梁桥地震响应的影响规律。

研究表明：顺桥向地震激励下，SSI 效应增大了桥墩变形、墩底受力、墩顶水平加速度及主梁水平加速度，地震响应峰值随剪切波速的减小而单调递增，说明剪切波速是影响SSI 效应的重要因素；桥墩加速度响应、位移响应和应变响应对SSI 效应的敏感程度有所差异，其中加速度响应对SSI 效应最敏感，考虑SSI 效应后增幅最大；SSI 效应将引起支座相对位移的剧烈变化；实时耦联动力子结构试验技术是进行桥梁结构考虑SSI 效应的振动台试验的有效方法。

关键词：连续梁桥；土-结构相互作用；振动台阵试验；地震响应；实时耦联动力子结构试验中图分类号：U448．21文献标识码：A文章编号：1000-131X （2013）11-0098-07Shaking tables test on a long-span continuous girder bridgeconsidering soil-structure interactionYan Xiaoyu 1Li Zhongxian 1Li Yong 2Du Xiuli 2（1．The Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of the Ministry of Education ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；2．The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of the Ministry of Education ，Beijing University of Technology ，Beijing 100124，China ）Abstract ：The influence of soil-structure interaction under earthquake excitation should be considered for the bridge-foundation system ，especially for the foundation of soft soil．A 1ʒ10scaled model of a four-span continuous girder bridge was tested on shaking tables to investigate the influence of soil-structure interaction on seismic response of the bridge model．The experimental results indicate that SSI effect increases the dynamic response of the bridge model．The peak of the response monotonously increases as the shear wave velocity decreases ，which shows the shear wave velocity is an important factor influencing the SSI effect．The sensitivity of acceleration ，displacement and strain to SSI effect is significantly different．The acceleration is more sensitive to SSI effect in the longitudinal direction．Furthermore ，SSI effect may cause dramatic changes in the relative displacement of bearings．The test results verify the effectiveness of the real-time dynamic hybrid testing technique．Keywords ：continuous girder bridge ；soil-structure interaction ；shaking tables test ；seismic response ；real-time dynamic hybrid substructure testing E-mail ：zxli@tju．edu．cn引言上部结构破坏是连续梁桥常见的地震灾害之一，常发生在设置伸缩缝的位置。

当主梁位移超出墩、台支撑面，则会发生落梁；如果主梁与相邻结构间距过小，在地震中将相互碰撞，产生很大的撞击力［1］。

土-结构相互作用（SSI ）虽然不是导致桥梁碰撞的直接原因，但是它对桥梁碰撞反应有着显著的影响，在桥梁抗震设计时应予以考虑。

有研究成果表明［2］，SSI 效应对桥梁纵向地震反应不利，而对桥台的破坏作用高于对桥墩的破坏作用。

因此为了保证桥梁结构的抗震安全性，有必要研究SSI 效应对其地震响应的影响规律。

目前，国内外考虑SSI 效应的振动台试验以土箱试验为主，文献［3-7］通过土箱试验研究了SSI 效应对地基—结构体系的自振特性、动力响应、结构损伤特性的影响，但这种试验方法受振动台承载力的制约，不能应用于大比例模型的试验，介质与桥梁结构第46卷第11期闫晓宇等·考虑土-结构相互作用的多跨连续梁桥振动台阵试验研究·99·难以满足统一的相似比，且边界条件难以准确模拟；纯数值模拟和拟动力试验也不能很好地模拟结构-地基体系的地震响应特性。

因此，有必要开发新的试验方法，得到SSI 效应对大跨度桥梁结构地震响应的影响规律，并对大跨度桥梁结构考虑SSI 效应的动力响应计算方法和数值模拟结果进行试验校验。

本文以某座已建成的大跨度连续梁桥为工程背景，将实时耦联动力子结构试验技术［8-9］引入到连续梁桥的振动台阵试验中，通过多子台振动台阵系统，试验研究SSI 效应对一座四跨钢筋混凝土连续梁桥模型地震响应的影响规律，并对试验结果进行详细分析，得出一些对考虑SSI 效应的大跨度连续梁桥抗震设计有参考价值的结论。

1试验设计本试验研究的原型桥梁为某钢筋混凝土连续梁桥，跨径组合为4ˑ40m ，桥梁全长160m ，上部结构为单箱三室钢筋混凝土箱梁，下部结构为钢筋混凝土双柱型桥墩。

根据试验设备能力和试验场地条件，模型桥与原型桥的几何相似比取为1ʒ10。

模型为四跨连续梁桥［10］，跨径为4．0m ˑ4，桥梁全长16m 。

桥梁模型如图1所示。

上部结构为钢箱梁，下部结构为双柱墩，上设盖梁，下设承台。

桥墩墩柱的净高度分别为1．6m 、1．9m 和2．4m ，桥墩直径分别为20cm 、15cm 和15cm 。

桥墩底部为承台结构，承台的底部与一块厚度为2．5cm 的钢板固结在一起，然后将连接钢板锚固在振动台上。

（a ）模型桥照片为了使模型结构能够真实反应原型结构的动力特性，按照相似理论设计试验模型。

由此计算得到加速度相似比为4．60，时间相似比为0．147，模型结构的附加质量为在主梁上设置了6根重量约为1t 的混凝土梁，同时在主梁两端各设置了0．78t 的钢配重块。

为了测试桥梁墩底易损区域的混凝土应变和钢筋应变，共布置72个应变测点；为了测试墩—梁相对位移、墩顶绝对位移及振动台台面绝对位移，共布置38个位移测点；为了测量桥面、墩顶和振动台台面的加速度，共布置24个加速度测点。

具体的测点布置图、测量仪器、模型设计相似比、模型材料及桥墩尺寸等细节，与文献［10］第四章所述一致。

试验中，地震波选取1940年美国加州地震的El-Centro 波、1999年台湾地震的CHI-CHI 波和一条人工拟合地震波，如图2所示；其中人工地震波按照抗震设计规范（GB 50011—2010）中对I 1类场地的规定拟合，三条地震动均沿顺桥向激励，加速度峰值调整为0．15g 。

土模型采用改进的彭津模型［11-12］，在彭津模型中，桩为弯曲剪切型多质点系，各质点处既有水平位移又有转角。

桩周土与桩体有相同的振动，这部分土体也被简化为多质点系（称为等价体系）。

远离结构的地基，可近似地视为半无限体，它不受结构物存在的影响（即自由场地）。

其振动以单位面积土柱简化成的多质点系来描述，只考虑弹性剪切变形。

在自然地基与等价体系之间以水平弹簧相连。

该模型可以考虑多层不同土质场地情况，在工程界应用广泛。

地基阻抗函数的确定是分析SSI 效应的重要环节和要害问题。

其中土的剪切波速是表征土体自身特·100·土木工程学报2013年性的重要指标之一，也是影响桩-土系统动力相互作用阻抗函数的主要参数之一，因此，文中考虑了剪切波速对连续梁桥地震响应的影响规律，剪切波速取值分别为400m /s 、300m /s 、200m /s 和100m /s。

2试验原理子结构法是弹性半空间上结构地震响应的主要计算方法之一。

子结构试验技术在拟动力试验和振动台试验中均有所应用［13-14］。

为了考虑试件的速度相关性，1992年Nakashima ［15］等人提出了实时子结构试验方法，这种方法对速度相关性试件进行实时加载以准确获得其性能。

本文以实时耦联动力子结构试验技术为平台，将子结构法的求解思想应用到连续梁桥振动台阵试验中。

在地基-桥梁结构体系中，土模型设定为数值子结构，通过计算机程序求解土的动力方程；连续梁桥设定为物理子结构，通过5子台振动台阵进行试验，两个子结构之间通过实时的数据交互传递、土模型动力方程的求解和物理模型的振动台阵试验，实现考虑SSI 效应的长大桥梁地震响应的数模混合试验研究，如图3所示。