4.2非通航孔桥的抗震性能试验研究 4.2.1试验目的
1）验证隔震技术的有效性和可靠性。
2）不同支座形式的隔震效果，为支座类型的选择提供参考。 3）为有限元分析结果的可靠性进行验证。 4.2.2试验内容 1）不同隔震支座类型
由于铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座和摩擦摆隔震支座在竖向能够承受竖向力、能抵抗地震作用时的负反力，在水平方向可以分散地震惯性力，并且具有较好的耗能效果，通过合理设计均具有较好的复位能力，三种支座均符合港珠澳大桥对抗震性能的要求。采用哪种支座，隔震桥梁才能达到较好的隔震效果，本试验针对高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座和摩擦摆隔震支座三种支座类型隔震桥梁在地震作用下的动力性能进行研究，分析不同隔震支座的隔震效果。为桥梁隔震支座的选择提供参考。 2）功能可变支座的功能转换
在垂直桥向，因为桥墩以及基础的刚度较大，为了避免桥梁上的通讯管线，伸缩缝及其他必要管线的损伤，一般采用固定支座方式。虽然在风荷载以及中小地震作用下，垂直桥向的桥墩和基础具有足够的承载力，但在罕遇地震作用下水平作用力也大，有可能会导致桥墩或者基础的损伤。本桥采用的隔震支座在风荷载以及中小地震作用下为固定，罕遇地震作用可转变为减隔震支座的可变支座，即功能可变支座。我们将通过振动台试验来验证横桥向限位装置在大震下是否能满足功能转换的要求。
3）桥墩高差较大对隔震桥梁动力性能的影响
最高桥墩和最低桥墩之差与桥墩高度比例大于20%的为高差大的，小于20%的为高差不大或者没有高差的桥。在本项目中，与斜拉桥连接的高架桥的桥墩非常高，且路面高度变化剧烈，试验中取桥墩高差较大的 6跨连续高架桥作为研究对象， P1桥墩的高度为 34.6，而P7桥墩达到 50.6m ，桥墩高差的参数αPh 很大，不能忽略桥墩高差对隔震桥梁动力性能的影响，为了能够更加直观真实的
反应桥墩高差对桥梁动力性能的影响，通过振动台试验的方法，分析研究了桥墩较大高差对桥梁动力性能的影响。 4）行波效应的影响
地震时从震源释放出来的能量以地震波的形式传至地表，经由不同的路径，不同的地质土层。因而反映到地表不同地点的地震动必然存在差异，即地震动有空间变化性，主要包括行波效应、部分相干效应和局部场地效应，这三种效应的作用使地震波的到达时间、振幅、频率以及叠加方式上均不同。其中，行波效应是由地震波在不同支承点处到达时间的差异造成的，部分相干效应是由地震波在地层的不同介质中的折射、反射和散射等造成的，局部场地效应是由不同站点处局部土壤条件的差异造成的。由于强震记录的收集和实际布设密集台阵的困难，对于大跨度桥梁结构，大多考虑其行波效应的影响，即考虑地震波在传播过程中到达结构不同支座时会发生时间的延迟现象。本研究内容将再现行波效应的影响。
4.2.4试验设备
浅水区和深水区的6跨桥梁模型振动台试验在重庆试验中心进行，振动台参数如表4-23所示，振动台俯视图如图4-5所示。
表4-23振动台主要技术参数
图4-5振动台俯视图
4.2.5地震波的选取 1. 地震波的选取原则
采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际地震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。正确选择输入的地震加速度时程曲线，要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规定。 2. 港珠澳大桥所选地震波
2009年6 月，中国地震局地壳应力研究所、广东省地震局共同对港珠澳大桥地震动参数进行了研究，给出了《港珠澳大桥工程场地设计地震动参数评价报告》，本项目根据报告内容给出的设计地震动参数设定加速度峰值。
本试验选用地震波，沿用预研究报告成果，每一个设防地震水准，选取6组地震加速度时程进行分析，其中5组为天然波，2组为人造波。各水准的加速度度程最大值，见表4-24（相关内容参阅预研究报告关于地震波部分）。所选择地震波波形如图4-6所示。
2注：振动台提供最大加速度无法满足加速度峰值要求
（a ）工作状态（120 年）人造地震动时程曲线
L1
（b ）工作状态（120 年）天然地震动时程曲线
NL1_1
（c ）工作状态（120 年）天然地震动时程曲线NL1_2
图4-6 分析中采用的地震波
在进行振动台试验时将所选地震波进行时间轴的压缩，对峰值进行调整，使其达到对应多遇地震、设计地震和罕遇地震的加速度水平。调整后的地震波如图4-7所示。
（a ）工作状态（120 年）人造地震动时程曲线 L1
（b ）工作状态（120 年）天然地震动时程曲线
NL1_1
（c ）工作状态（120 年）天然地震动时程曲线NL1_2
图4-7 试验中采用的地震波
4.2.6桥梁模型 1. 模型相似比设计
方案1：弹性模量与加速度为1
根据相似原理，以及桥梁动力试验相关理论，选定原形结构与模型结构的长度相似比S l =20、动力试验加速度相似比Sa=1.0和应力相似比S =1.0，相应的
时间相似比S t =
S ρ=
t p t m
=
，质量相似比S m =
M p M m
=
13967
=400，密度相似比34.92
ρp S m
==1/20。模型各参数相似关系如表4-25。 ρm S l 3
表4-25 模型与原形相似关系
物理量 加速度 长度 时间 密度 频率 速度 质量 单位长度重量
量纲 缩尺 1 1/20 1/20
物理量 力 面积 断面惯性距 弹性模量 弯曲刚度 拉伸刚度 水平刚度 转动刚度
量纲 缩尺 1/400 1/400 1/160000
1 1/160000 1/400 1/20 1/8000
lt -2 l
t
ρ
ρl 4t -2
l 2 l 4 ρl 2t -2
t -
1 lt -
1 ρl 3
1/1/400 1/20
ρl 3t -2
ρl 6t -2 ρl 4t -2 ρl 3t -2 ρl 5t -2
为重点分析组合隔震支座的力学性能，设计中桥墩在地震作用下处于弹性状态，试验中为减小由于混凝土材料的离散性对试验结果的影响，采用制作方便的钢管桥墩，试验中考虑桥墩弹性的，不发生塑性变形。 2. 原桥模型
为研究港珠澳大桥采用隔震设计后的动力性能，选取了具有代表性的两种不同桥梁模型进行振动台试验研究，分别取桥墩高差较小的6×85m原桥模型和桥墩高差较大的6×110m的原桥模型进行缩尺。 1）桥墩高差不大的非通航孔桥梁模型
桥墩高差较小的6×85m标准部（DB02低墩区）的原桥模型如图4-8所示。上部结构的荷载组合如表4-26所示。
图4-8桥墩高差不大的非通航孔桥梁标准部（6×85m）
表4-26 深水区110跨桥梁段自重荷载组成
图4-9桥墩正立面与侧立面图
图4-10桥墩横截面图
2）桥墩高差较大的非通航孔桥梁模型
与斜拉桥连接的高架桥的桥墩非常高，且路面高度变化剧烈，桥墩高差较大的 6跨连续高架桥，如图 4-11所示，桥墩的立面与侧立面图如图4-12所示，桥墩横截面图如图4-13所示。P1桥墩的高度为 34.6，而P7桥墩达到 50.6m 。桥墩高差的参数αPh 很大。 如采用桥墩单体模型进行动力计算， 无法保证其计算精度。通过振动台试验将进行如下几项研究：
（1） 上部惯性力是否会集中于高度较低的 P1 和 P2 桥墩？
（2） 由于桥墩高差所导致的上部惯性力在各个桥墩的分担量是否会因为采用
减隔震装置得到缓解？
（3） 由于桥墩较高，桥墩的水平位移将会很大，是否会影响减隔震装置的耗能
效果？
图4-11 桥墩高差较大的 6×110m跨非通航孔桥的原桥模型（DB01段） 上部结构自重荷载组成如表4-27所示。
表4-27 深水区110跨桥梁段自重荷载组成
图4-12桥墩立面图
图4-13桥墩横截面图
注：下部截面中间隔板高度为下拼接段的长度L1减300cm
3. 试验模型桥梁
1）桥墩高差较小桥梁模型
桥墩高差较小的标准部隔震桥梁的试验模型简图如图4-14所示，为计算桥
墩截面各个参数，在ansys 有限元软件中，建立了桥墩截面，得到桥墩横截面参数如图4-15所示。试验模型桥梁各个桥墩的设计参数见表4-28~表4-30，桥梁上部结构的总重量为13967.8吨（6×85m）。
根据上述相似关系，确定模型和原形的物理量间的关系如表4-25，据此，设计六跨连续隔震桥梁模型。模型桥梁墩高为2.5m ，桥面由刚性梁组成，上部梁体采用槽钢300#a，梁长9.50m ，不受几何相似比限制，但质量满足相似比关系。为避免混凝土材料离散性对试验结果的影响，模型桥梁的桥墩采用矩形钢管。模型由于重量不足，另设计附加质量块。模型桥梁立面图见图4-14。
表4-28模型和原型的物理量
7#
（a ）立面图
（b ）侧面图
图4-14桥墩高差不大的标准部高架桥振动台试验模型
a) 桥墩中部截面
a) 桥墩底部截面
图4-15桥墩截面参数图 表4-29试验模型桥墩设计参数
表4-30试验模型桥墩截面尺寸参数表
桥墩高差较大的桥梁模型（B01段，桥墩墩顶变截面高度8m ）
桥墩高差较大的与斜拉桥相连的桥梁模型，每跨的跨度是110米，桥梁上部结构各个部分的荷载如表4-31所示的总重量为17779.9吨。模型桥梁简图如图4-16所示。按照模型桥梁和原型桥梁的相似关系，得到模型桥梁的各个设计参数如表4-32~4-34所示。
a) 立面图
（b ）侧面图
图4-16桥墩高差不大的非通航孔桥梁标准部振动台试验模型
a) 桥墩中部截面
b) 桥墩底部截面
图4-17桥墩截面参数图
表4-32 桥墩高差较大的模型桥梁设计参数
表4-33桥梁振动台试验模型桥墩设计
表4-34矩形钢管桥墩截面尺寸参数表
4.2.7支座模型
对于110m 跨的非通航桥的支座布置如下：(考虑竖向地震波的影响和安全系数) ，边墩采用2个竖向承载力为15000kN 的隔震支座（GZ1500）。其余各个墩子采用2个竖向承载力为20000kN 的隔震支座(GZ2000)。
对于85m 跨的非通航桥的支座布置如下：(考虑竖向地震波的影响和安全系数) 边墩采用2个竖向承载力为13000kN 的隔震支座（GZ1300）。其余各个墩子采用2个竖向承载力为18000kN 的隔震支座(GZ1800)。支座参数如表4-35所示
据模型桥梁相似比原则，参考表4-25，计算得到模型桥梁的支座参数如表4-36所示。
4.2.8横桥向剪力装置的设计
画出P3水准地震的标准反应谱曲线，求得隔震桥梁模型横桥向隔震周期对应的反应谱值，求得最大剪力，由最大剪力减去支座的屈服强度，即为限位装置的破断强度。可以得到限位装置的破断强度如表4-34所示。
4.2.9试验工况
表4-39隔震桥梁振动台工况表（一致激励/行波：波速250m/s
）
4.2.10测点布置
7#
图4-18振动台试验模型简图
表4-40传感器布置
注：支座1_1为1#桥墩的左侧支座，支座1_2为1#桥墩右侧支座；支座2_1为2#桥墩的左侧支座，支座2_2为2#桥墩右侧支座；支座3_1为3#桥墩的左侧支座，支座3_2为3#桥墩右侧支座；支座4_1为4#桥墩的左侧支座，支座4_2为4#桥墩右侧支座。
表4-41应变片布置
4.2非通航孔桥的抗震性能试验研究 4.2.1试验目的
1）验证隔震技术的有效性和可靠性。
2）不同支座形式的隔震效果，为支座类型的选择提供参考。 3）为有限元分析结果的可靠性进行验证。 4.2.2试验内容 1）不同隔震支座类型
由于铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座和摩擦摆隔震支座在竖向能够承受竖向力、能抵抗地震作用时的负反力，在水平方向可以分散地震惯性力，并且具有较好的耗能效果，通过合理设计均具有较好的复位能力，三种支座均符合港珠澳大桥对抗震性能的要求。采用哪种支座，隔震桥梁才能达到较好的隔震效果，本试验针对高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座和摩擦摆隔震支座三种支座类型隔震桥梁在地震作用下的动力性能进行研究，分析不同隔震支座的隔震效果。为桥梁隔震支座的选择提供参考。 2）功能可变支座的功能转换
在垂直桥向，因为桥墩以及基础的刚度较大，为了避免桥梁上的通讯管线，伸缩缝及其他必要管线的损伤，一般采用固定支座方式。虽然在风荷载以及中小地震作用下，垂直桥向的桥墩和基础具有足够的承载力，但在罕遇地震作用下水平作用力也大，有可能会导致桥墩或者基础的损伤。本桥采用的隔震支座在风荷载以及中小地震作用下为固定，罕遇地震作用可转变为减隔震支座的可变支座，即功能可变支座。我们将通过振动台试验来验证横桥向限位装置在大震下是否能满足功能转换的要求。
3）桥墩高差较大对隔震桥梁动力性能的影响
最高桥墩和最低桥墩之差与桥墩高度比例大于20%的为高差大的，小于20%的为高差不大或者没有高差的桥。在本项目中，与斜拉桥连接的高架桥的桥墩非常高，且路面高度变化剧烈，试验中取桥墩高差较大的 6跨连续高架桥作为研究对象， P1桥墩的高度为 34.6，而P7桥墩达到 50.6m ，桥墩高差的参数αPh 很大，不能忽略桥墩高差对隔震桥梁动力性能的影响，为了能够更加直观真实的
反应桥墩高差对桥梁动力性能的影响，通过振动台试验的方法，分析研究了桥墩较大高差对桥梁动力性能的影响。 4）行波效应的影响
地震时从震源释放出来的能量以地震波的形式传至地表，经由不同的路径，不同的地质土层。因而反映到地表不同地点的地震动必然存在差异，即地震动有空间变化性，主要包括行波效应、部分相干效应和局部场地效应，这三种效应的作用使地震波的到达时间、振幅、频率以及叠加方式上均不同。其中，行波效应是由地震波在不同支承点处到达时间的差异造成的，部分相干效应是由地震波在地层的不同介质中的折射、反射和散射等造成的，局部场地效应是由不同站点处局部土壤条件的差异造成的。由于强震记录的收集和实际布设密集台阵的困难，对于大跨度桥梁结构，大多考虑其行波效应的影响，即考虑地震波在传播过程中到达结构不同支座时会发生时间的延迟现象。本研究内容将再现行波效应的影响。
4.2.4试验设备
浅水区和深水区的6跨桥梁模型振动台试验在重庆试验中心进行，振动台参数如表4-23所示，振动台俯视图如图4-5所示。
表4-23振动台主要技术参数
图4-5振动台俯视图
4.2.5地震波的选取 1. 地震波的选取原则
采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际地震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。正确选择输入的地震加速度时程曲线，要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规定。 2. 港珠澳大桥所选地震波
2009年6 月，中国地震局地壳应力研究所、广东省地震局共同对港珠澳大桥地震动参数进行了研究，给出了《港珠澳大桥工程场地设计地震动参数评价报告》，本项目根据报告内容给出的设计地震动参数设定加速度峰值。
本试验选用地震波，沿用预研究报告成果，每一个设防地震水准，选取6组地震加速度时程进行分析，其中5组为天然波，2组为人造波。各水准的加速度度程最大值，见表4-24（相关内容参阅预研究报告关于地震波部分）。所选择地震波波形如图4-6所示。
2注：振动台提供最大加速度无法满足加速度峰值要求
（a ）工作状态（120 年）人造地震动时程曲线
L1
（b ）工作状态（120 年）天然地震动时程曲线
NL1_1
（c ）工作状态（120 年）天然地震动时程曲线NL1_2
图4-6 分析中采用的地震波
在进行振动台试验时将所选地震波进行时间轴的压缩，对峰值进行调整，使其达到对应多遇地震、设计地震和罕遇地震的加速度水平。调整后的地震波如图4-7所示。
（a ）工作状态（120 年）人造地震动时程曲线 L1
（b ）工作状态（120 年）天然地震动时程曲线
NL1_1
（c ）工作状态（120 年）天然地震动时程曲线NL1_2
图4-7 试验中采用的地震波
4.2.6桥梁模型 1. 模型相似比设计
方案1：弹性模量与加速度为1
根据相似原理，以及桥梁动力试验相关理论，选定原形结构与模型结构的长度相似比S l =20、动力试验加速度相似比Sa=1.0和应力相似比S =1.0，相应的
时间相似比S t =
S ρ=
t p t m
=
，质量相似比S m =
M p M m
=
13967
=400，密度相似比34.92
ρp S m
==1/20。模型各参数相似关系如表4-25。 ρm S l 3
表4-25 模型与原形相似关系
物理量 加速度 长度 时间 密度 频率 速度 质量 单位长度重量
量纲 缩尺 1 1/20 1/20
物理量 力 面积 断面惯性距 弹性模量 弯曲刚度 拉伸刚度 水平刚度 转动刚度
量纲 缩尺 1/400 1/400 1/160000
1 1/160000 1/400 1/20 1/8000
lt -2 l
t
ρ
ρl 4t -2
l 2 l 4 ρl 2t -2
t -
1 lt -
1 ρl 3
1/1/400 1/20
ρl 3t -2
ρl 6t -2 ρl 4t -2 ρl 3t -2 ρl 5t -2
为重点分析组合隔震支座的力学性能，设计中桥墩在地震作用下处于弹性状态，试验中为减小由于混凝土材料的离散性对试验结果的影响，采用制作方便的钢管桥墩，试验中考虑桥墩弹性的，不发生塑性变形。 2. 原桥模型
为研究港珠澳大桥采用隔震设计后的动力性能，选取了具有代表性的两种不同桥梁模型进行振动台试验研究，分别取桥墩高差较小的6×85m原桥模型和桥墩高差较大的6×110m的原桥模型进行缩尺。 1）桥墩高差不大的非通航孔桥梁模型
桥墩高差较小的6×85m标准部（DB02低墩区）的原桥模型如图4-8所示。上部结构的荷载组合如表4-26所示。
图4-8桥墩高差不大的非通航孔桥梁标准部（6×85m）
表4-26 深水区110跨桥梁段自重荷载组成
图4-9桥墩正立面与侧立面图
图4-10桥墩横截面图
2）桥墩高差较大的非通航孔桥梁模型
与斜拉桥连接的高架桥的桥墩非常高，且路面高度变化剧烈，桥墩高差较大的 6跨连续高架桥，如图 4-11所示，桥墩的立面与侧立面图如图4-12所示，桥墩横截面图如图4-13所示。P1桥墩的高度为 34.6，而P7桥墩达到 50.6m 。桥墩高差的参数αPh 很大。 如采用桥墩单体模型进行动力计算， 无法保证其计算精度。通过振动台试验将进行如下几项研究：
（1） 上部惯性力是否会集中于高度较低的 P1 和 P2 桥墩？
（2） 由于桥墩高差所导致的上部惯性力在各个桥墩的分担量是否会因为采用
减隔震装置得到缓解？
（3） 由于桥墩较高，桥墩的水平位移将会很大，是否会影响减隔震装置的耗能
效果？
图4-11 桥墩高差较大的 6×110m跨非通航孔桥的原桥模型（DB01段） 上部结构自重荷载组成如表4-27所示。
表4-27 深水区110跨桥梁段自重荷载组成
图4-12桥墩立面图
图4-13桥墩横截面图
注：下部截面中间隔板高度为下拼接段的长度L1减300cm
3. 试验模型桥梁
1）桥墩高差较小桥梁模型
桥墩高差较小的标准部隔震桥梁的试验模型简图如图4-14所示，为计算桥
墩截面各个参数，在ansys 有限元软件中，建立了桥墩截面，得到桥墩横截面参数如图4-15所示。试验模型桥梁各个桥墩的设计参数见表4-28~表4-30，桥梁上部结构的总重量为13967.8吨（6×85m）。
根据上述相似关系，确定模型和原形的物理量间的关系如表4-25，据此，设计六跨连续隔震桥梁模型。模型桥梁墩高为2.5m ，桥面由刚性梁组成，上部梁体采用槽钢300#a，梁长9.50m ，不受几何相似比限制，但质量满足相似比关系。为避免混凝土材料离散性对试验结果的影响，模型桥梁的桥墩采用矩形钢管。模型由于重量不足，另设计附加质量块。模型桥梁立面图见图4-14。
表4-28模型和原型的物理量
7#
（a ）立面图
（b ）侧面图
图4-14桥墩高差不大的标准部高架桥振动台试验模型
a) 桥墩中部截面
a) 桥墩底部截面
图4-15桥墩截面参数图 表4-29试验模型桥墩设计参数
表4-30试验模型桥墩截面尺寸参数表
桥墩高差较大的桥梁模型（B01段，桥墩墩顶变截面高度8m ）
桥墩高差较大的与斜拉桥相连的桥梁模型，每跨的跨度是110米，桥梁上部结构各个部分的荷载如表4-31所示的总重量为17779.9吨。模型桥梁简图如图4-16所示。按照模型桥梁和原型桥梁的相似关系，得到模型桥梁的各个设计参数如表4-32~4-34所示。
a) 立面图
（b ）侧面图
图4-16桥墩高差不大的非通航孔桥梁标准部振动台试验模型
a) 桥墩中部截面
b) 桥墩底部截面
图4-17桥墩截面参数图
表4-32 桥墩高差较大的模型桥梁设计参数
表4-33桥梁振动台试验模型桥墩设计
表4-34矩形钢管桥墩截面尺寸参数表
4.2.7支座模型
对于110m 跨的非通航桥的支座布置如下：(考虑竖向地震波的影响和安全系数) ，边墩采用2个竖向承载力为15000kN 的隔震支座（GZ1500）。其余各个墩子采用2个竖向承载力为20000kN 的隔震支座(GZ2000)。
对于85m 跨的非通航桥的支座布置如下：(考虑竖向地震波的影响和安全系数) 边墩采用2个竖向承载力为13000kN 的隔震支座（GZ1300）。其余各个墩子采用2个竖向承载力为18000kN 的隔震支座(GZ1800)。支座参数如表4-35所示
据模型桥梁相似比原则，参考表4-25，计算得到模型桥梁的支座参数如表4-36所示。
4.2.8横桥向剪力装置的设计
画出P3水准地震的标准反应谱曲线，求得隔震桥梁模型横桥向隔震周期对应的反应谱值，求得最大剪力，由最大剪力减去支座的屈服强度，即为限位装置的破断强度。可以得到限位装置的破断强度如表4-34所示。
4.2.9试验工况
表4-39隔震桥梁振动台工况表（一致激励/行波：波速250m/s
）
4.2.10测点布置
7#
图4-18振动台试验模型简图
表4-40传感器布置
注：支座1_1为1#桥墩的左侧支座，支座1_2为1#桥墩右侧支座；支座2_1为2#桥墩的左侧支座，支座2_2为2#桥墩右侧支座；支座3_1为3#桥墩的左侧支座，支座3_2为3#桥墩右侧支座；支座4_1为4#桥墩的左侧支座，支座4_2为4#桥墩右侧支座。
表4-41应变片布置