采用新型变摩擦摆轴承的高速铁路桥梁振动台试验

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Shaking table test of high-speed railway bridges with novel variable friction pendulum bearings

　　

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  提出了一种新型的双凹面变摩擦摆轴承。
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  进行了 shaking table 测试，以研究由 VFPB 和 FPB 隔离的高速铁路桥梁的动态响应。
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  VFPB 可以显著减少轴承的峰值位移，而不会显著增加加速度响应。
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  变摩擦摆轴承表现出较小的残余位移和完整的滞后回线。

引言

在过去十年中，中国的高速铁路建设发展迅速，并逐渐扩展到西部的高强度地震区 [1]。鉴于高速列车对轨道平整度的极高要求，高速铁路通常采用桥梁结构代替路基部分，以确保运营安全和乘坐舒适性 [2]。中国西部容易发生频繁的地震，这对桥梁安全构成了严重威胁 [3]，[4]。因此，位于中国西部高强度地震区的高速铁路桥梁通常设计有隔震轴承，以尽量减少其地震损害 [5]，[6]。

常见的隔震轴承包括基于橡胶的轴承，如层压橡胶轴承 [7]、铅橡胶轴承 [8] 和高阻尼橡胶轴承 [10]，以及平面滑动轴承 [11] 和 FPB [12]，[13]，[14]，[15]。基于橡胶的轴承因其低成本、成熟的技术和易于安装而广泛用于隔震。然而，它们在恶劣的环境条件下耐久性较差 [16]。此外，基于橡胶的轴承的主要局限性在于其较低的承载垂直载荷的能力 [17]。对于上部结构通常较重的铁路桥梁来说，轴承的过度剪切变形可能导致桥梁结构倒塌。与基于橡胶的轴承相比，平面滑动轴承提供了更高的承载垂直载荷能力和能量耗散能力，并且几乎不受激励频率的影响。然而，这种轴承在地震激励下可能会产生较大的水平位移，可能导致桥梁上部结构脱座 [18]。此外，平面滑动轴承缺乏自复位能力，在地震后可能会表现出较大的残余位移。因此，它们通常需要与重置装置一起使用 [19]。具有弯曲滑动表面的 FPB 具有简单的工作机制、高载荷承载能力、高能量耗散能力和强的自复位能力 [20]，[21]。

在含有长周期分量的近断层地面运动下，轴承可能会产生较大的水平位移 [22]，这需要更大的 FPB 尺寸，从而增加建造成本。为了满足大的位移需求，开发了双凹面 FPB [23]。与单凹面 FPB 不同，双凹面 FPB 的上下轴承板上都具有球形凹面，从而增强了其位移能力和能量耗散能力 [24]，[25]。近年来，还系统研究了具有多个滑动界面的多摩擦摆轴承。这些轴承的有效刚度和等效阻尼随轴承位移而变化，从而导致自适应的刚度和能量耗散特性 [26]，[27]。然而，它们的结构配置和力传递机制相对复杂，制造成本较高，这限制了它们的工程应用。

Murnal 等人 [28] 提出了一种变曲率 FPB 作为实现位移依赖性隔震性能的替代方法。与具有恒定曲率半径的常规 FPB 不同，变曲率 FPB 的滑动表面具有变化的曲率半径 [29]，[30]。因此，它们的隔震刚度和频率会随着轴承位移而自适应变化。Cao 等人 [31] 和 Zhang 等人 [32] 提出了一种双凹面 FPB，其中摩擦面的内部分设计为小半径的球面，以减少残余位移，而外部分设计为变坡度的曲面，以减小大位移下的轴承恢复力。然而，连续变化的曲率半径依赖于高精度的制造工艺。

与变曲率轴承不同，变摩擦摆轴承（VFPB）通过改变滑动面上的摩擦系数分布来实现自适应行为，同时保持滑块的平稳滑动 [33]。Shang 等人 [34]，[35] 提出了一种 VFPB 及其相应的分析模型，在不锈钢滑动表面上排列了具有不同摩擦系数的同心环，并使用有限元软件对用 VFPB 和传统 FPB 隔离的建筑框架结构进行了弹性塑性时程分析。本研究提出的新型 VFPB 由特殊聚合物材料制成的上下板和滑块组成，无需额外的摩擦对或润滑剂。然而，这种新型轴承的隔震性能仍需要实验验证。

除了上述关于 FPB 工作机制和结构配置的研究外，许多研究还通过 shaking table 测试研究了 FPB 隔离桥梁的地震响应。Cao 等人 [36] 提出了一种受重力井启发的双摩擦摆轴承，并对该轴承隔离的桥梁的上部结构进行了 shaking table 测试。然而，他们的测试模型中没有包括下部结构，因此忽略了桥墩特性对输入地面运动的动态放大效应。基于缩比模型 shaking table 测试，Meng 等人 [37]，[38]，[39] 研究了 FPB 制动剪切键对桥梁地震响应的影响。他们的结果表明，尽管剪切键显著降低了上部结构脱座的风险，但冲击效应可能会增加上部结构和下部结构的地震力。Jiang 等人 [40] 和 Qi 等人 [41] 分别通过 shaking table 测试研究了用双凹面 FPB 和连续铁路梁桥隔离的简单支撑铁路梁桥的地震隔震性能。然而，这些研究中采用的轴承配置与本研究提出的 VFPB 不同。目前，关于 FPB 隔离的高速铁路桥梁的实验研究仍然有限，而且关于用 VFPB 隔离的高速铁路桥梁的 shaking table 测试也仍然不足。

针对这一背景，本研究选择了一座双轨 32 米跨度的高速铁路简单支撑梁桥作为工程原型。设计并制造了一个 1/12 比例的桥梁模型，以研究新型 VFPB 的隔震性能。获得了轴承位移、桥墩顶部和梁的加速度、加速度的动态放大系数以及轴承在逐渐增加的地面运动强度下的力-位移滞后曲线的变化，并将其与传统 FPB 的进行了比较。研究结果可以为新型 VFPB 在高速铁路桥梁中的应用提供支持。

章节片段

原型桥

在本研究中，采用了一座高速铁路桥作为工程原型，并选择了由 Pier 1 和 Pier 2 支撑的跨度作为原型跨度，如图 1a 所示。原型梁是一种预应力混凝土简单支撑箱梁，具有单箱单跨截面。设计跨度长度为 32 米，上部结构的总质量为 1309.2 吨，包括自重和附加恒荷载。该梁使用 C50 混凝土和 HRB400 钢筋建造。

测试结果与分析

本部分介绍了用 FPB 和 VFPB 隔离的铁路简单支撑梁桥模型的地震响应，包括观察到的宏观实验现象和动态特性、位移响应、加速度响应、加速度动态放大系数以及桥梁模型在不同强度的地震激励下的轴承力-位移滞后回线。

结论

为了研究新型 VFPB 在高速铁路桥梁结构中的隔震性能，对用 VFPB 隔离的简单支撑梁桥进行了 1/12 比例的 shaking table 测试。通过白噪声激励测试确定了桥梁模型的动态特性。然后沿纵向输入了从 0.1 g 到 1.1 g 的地面运动振幅，得到了轴承位移响应、梁和桥墩顶部的加速度

作者贡献声明

夏修深：写作 – 审核与编辑，写作 – 原始草稿，研究，资金获取。杨中伦：写作 – 审核与编辑，写作 – 原始草稿，可视化。黄耀彬：写作 – 审核与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（授权号：52578207；52278186）的财政支持。

夏修深|杨中伦|黄耀彬