李 俠

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

近年，鐵路跨越較大河流及道路等復(fù)雜地形，往往依據(jù)通航、防洪、立交等多方面要求采用多跨連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)形式，該類(lèi)型結(jié)構(gòu)為避免由于約束混凝土收縮徐變和溫度變形而產(chǎn)生過(guò)大的附加應(yīng)力，通常在縱橋向只設(shè)一個(gè)固定支座;而在縱向地震力作用下，固定墩幾乎承受了全聯(lián)所有縱向地震力，且鐵路橋梁墩身剛度大，地震作用下很難進(jìn)入塑性狀態(tài)，因此選擇合適的抗震設(shè)計(jì)方案至關(guān)重要[1]。減隔震設(shè)計(jì)是橋梁抗震設(shè)計(jì)的新思路，它通過(guò)采用減隔震裝置來(lái)盡可能地將結(jié)構(gòu)或部件與可能引起破壞的地震地面運(yùn)動(dòng)或支座運(yùn)動(dòng)分離開(kāi)來(lái)，大大減少傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震力和能量[2]。本文以抗震設(shè)防烈度Ⅶ度的鐵路橋(65+5×108+65)m連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分析研究了幾種減隔震方案應(yīng)用于實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的減隔震效果，并對(duì)幾種方案進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 工程背景

該橋?yàn)橐粏尉€(65+5×108+65)m鐵路橋梁，聯(lián)橋長(zhǎng)669.5 m。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，中支點(diǎn)梁高8.4 m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高4.8 m，梁底曲線為1.8次拋物線，箱梁頂寬7.5 m，底寬5.8 m，全聯(lián)共24 720 t。主墩高度10.5 m，邊墩高度分別為13.8，15.3 m，固定墩采用5.4 m×7.5 m圓端形實(shí)體橋墩，16根φ180 cm樁基;活動(dòng)墩采用4.4 m×6.5 m圓端形實(shí)體橋墩，16根φ150 cm樁基;邊墩采用3.0 m×5.5 m圓端形實(shí)體橋墩，9根φ150 cm樁基。地質(zhì)條件為:地面至14 m范圍內(nèi)為粉砂層，其下全部為粉質(zhì)黏土層。橋址處地震動(dòng)峰值加速度0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期Tg=0.40 s，特征分區(qū)為一區(qū)，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。

2 有限元模型

2.1 地震波的選取

正確選擇輸入的地震加速度時(shí)程曲線，要滿(mǎn)足地震動(dòng)的三要素，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間均要符合規(guī)定[3]。本文選取1940，El Centro Site天然地震波為計(jì)算輸入波，特征周期0.51 s，峰值加速度0.36g。

2.2 有限元模型的建立

采用Midas/Civil 2012建立了該橋的空間有限元模型[4]，主梁、橋墩均采用空間梁?jiǎn)卧M，樁基和土的相互作用根據(jù)文獻(xiàn)[5]采用承臺(tái)底六個(gè)自由度的彈簧剛度模擬樁土相互作用，彈簧數(shù)值“m”根據(jù)文獻(xiàn)[6]確定，但是土的抗力取值比靜力大，一般m動(dòng)=(2～3)m靜。分析中采用同時(shí)考慮質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的瑞利阻尼，阻尼比為0.05。全橋有限元模型如圖1所示。

圖1 全橋空間有限元模型

3 基本減隔震方案

3.1 采用雙曲面球型減隔震支座

雙曲面球型減隔震支座是一種滑動(dòng)摩擦擺支座，該支座是在普通球型支座的基礎(chǔ)上，用大半徑球面摩擦副取代平面摩擦副，并設(shè)置抗剪銷(xiāo)而形成的一種新型支座，構(gòu)造示意如圖2所示[7]。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生且水平力超過(guò)給定值時(shí)，抗剪銷(xiāo)被剪斷，支座的水平限位約束被解除，大半徑球面摩擦副水平向即可自由滑動(dòng)，從而地震產(chǎn)生的能量在動(dòng)能和勢(shì)能之間反復(fù)轉(zhuǎn)換;同時(shí)，在滑移的過(guò)程中，摩擦阻力逐漸消耗地震能量。這樣，既延長(zhǎng)了地震周期(達(dá)到減震的效果)，而且勢(shì)能又可形成恢復(fù)力，使支座復(fù)位。雙曲面減隔震支座可以用等效線性化模型模擬，其滯回曲線如圖3所示。

圖2 雙曲面減隔震支座構(gòu)造示意

圖3 雙曲面減隔震支座滯回曲線

圖3中，支座側(cè)向力F為恢復(fù)力和摩阻力之和

支座克服摩擦滑動(dòng)后水平剛度(屈后剛度)

支座等效剛度

支座等效阻尼比

以上各式中:W為支座承受的豎向荷載，D為支座設(shè)計(jì)水平位移，μ為摩擦系數(shù)，R為滑動(dòng)面的曲率半徑。

限于篇幅，經(jīng)比選后，針對(duì)該橋選擇支座承載力為5 000 kN和30 000 kN，球面半徑分別為2.2 m和5.5 m，摩擦系數(shù)0.025。

3.2 采用液體黏滯阻尼器

液體黏滯阻尼器主要是利用黏彈性材料的剪切流動(dòng)耗能特性來(lái)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，減小結(jié)構(gòu)的響應(yīng)幅度，通過(guò)在幾個(gè)活動(dòng)支座處配合使用黏滯阻尼器來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減震。其實(shí)質(zhì)是在基本抗震設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上進(jìn)行等二道防線配置，應(yīng)用較為普遍，有不少工程實(shí)例。計(jì)算模型中阻尼器用Maxwell模型來(lái)模擬。阻尼力與速度的關(guān)系表達(dá)式為

式中:f為阻尼力;sign為符號(hào)函數(shù);v為相對(duì)速度;C為阻尼系數(shù);α為速度指數(shù)。阻尼系數(shù)C的取值對(duì)阻尼力f的影響很大，速度指數(shù)α的取值直接決定阻尼器滯回曲線的形狀。速度指數(shù)α的常用值一般在0.3～1.0之間，α的取值越小，滯回曲線的形狀越接近于矩形，即滯回曲線越飽滿(mǎn)，其耗能能力越強(qiáng)，同時(shí)控制位移的能力也越強(qiáng)。本文模型中阻尼系數(shù)C=3 000，α=0.5，在每個(gè)活動(dòng)墩兩側(cè)各設(shè)置2個(gè)阻尼器。

3.3 同時(shí)采用雙曲面減隔震支座和液體黏滯阻尼器

雙曲面減隔震支座通過(guò)在地震中解除縱向約束，在水平方向沿球面自由滑動(dòng)將動(dòng)能與勢(shì)能轉(zhuǎn)化來(lái)消耗地震能量，通常具有較大的位移，但減震效果較好;阻尼器則是通過(guò)增加結(jié)構(gòu)阻尼減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)幅度減震，但是對(duì)位移有較好的限制作用(通常在長(zhǎng)大橋梁中應(yīng)用較多)。通常減隔震裝置均單獨(dú)使用，共同使用的情形研究較少。作為一種嘗試，分析計(jì)算了同時(shí)采用兩種減隔震裝置共同作用的效果。

4 不同設(shè)計(jì)方案比選

4.1 有限元分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算模型及地震動(dòng)輸入，采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法進(jìn)行地震響應(yīng)分析。本文僅研究縱橋向的減隔震性能，因此僅以第一條波為例按縱向輸入地震力。分析時(shí)考慮5種減隔震方案工況。

工況1:作為計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，按傳統(tǒng)抗震方式，不考慮減隔震裝置，計(jì)算中不考慮由于橋墩開(kāi)裂剛度退化等因素。

工況2:僅在固定墩設(shè)置減隔震支座，其他橋墩設(shè)置普通活動(dòng)支座。

工況3:在所有橋墩上設(shè)置減隔震支座。

工況4:在工況1基礎(chǔ)上，在主跨活動(dòng)墩設(shè)置黏滯阻尼器，每處設(shè)置2個(gè)，每個(gè)橋墩共設(shè)置4個(gè)。

工況5:在工況2基礎(chǔ)上，在主跨活動(dòng)墩設(shè)置黏滯阻尼器，每處設(shè)置2個(gè)，每個(gè)橋墩共設(shè)置4個(gè)。

圖4為不同工況下的地震反應(yīng)，其中位移選取梁端最大地震位移進(jìn)行研究。從圖4可以看出:

圖4 不同工況下地震反應(yīng)

1)采用黏滯阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期幾乎無(wú)影響，這與黏滯阻尼器的減震實(shí)質(zhì)是一致的;使用單個(gè)減隔震支座和采用減隔震支座與阻尼器配合使用均能延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期，若全橋均使用減隔震支座，結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)44%。

2)采用減隔震支座對(duì)固定墩墩底彎矩均有明顯減震效果，對(duì)活動(dòng)墩墩底彎矩均有增加;采用阻尼器裝置對(duì)固定墩墩底彎矩減小幅度不及減隔震支座，其減震率約46%，工況4和工況5對(duì)活動(dòng)墩墩底彎矩增加明顯，說(shuō)明地震中由于阻尼器參與工作，活動(dòng)墩與固定墩聯(lián)合參與受力，因此增加幅度大于其他工況，但各工況增加幅度均在可接受范圍內(nèi)。

3)工況2梁端位移最大，這是因?yàn)榈卣鹱饔孟掠捎诨顒?dòng)墩在縱向的約束作用甚微，固定墩承受剪力過(guò)大，支座抗剪銷(xiāo)失效后沿支座球面自由滑動(dòng)消耗地震能量。同時(shí)由于活動(dòng)墩對(duì)縱向無(wú)限位作用，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量過(guò)大，僅固定支座無(wú)法限制結(jié)構(gòu)縱向位移，導(dǎo)致縱向位移已超過(guò)支座設(shè)計(jì)位移。設(shè)計(jì)中應(yīng)增加其他防落梁限位措施。

4)使用阻尼器對(duì)梁端位移控制較好;各墩均采用減隔震支座對(duì)梁端位移也有一定限制，由于所有墩同時(shí)參與減震耗能，基本能滿(mǎn)足支座設(shè)計(jì)最大位移，有一定防落梁功能。

4.2 方案比選結(jié)論

1)固定墩設(shè)置雙曲面減隔震支座能明顯減小橋墩內(nèi)力，多個(gè)橋墩設(shè)置減隔震支座效果要優(yōu)于僅在固定墩頂設(shè)置減隔震支座。

2)僅固定墩設(shè)置減隔震支座，一旦限位銷(xiāo)剪斷會(huì)產(chǎn)生一定的屈后位移，設(shè)計(jì)中需要考慮其他抗震限位措施和構(gòu)造細(xì)節(jié)以滿(mǎn)足工程實(shí)用要求。當(dāng)然，這在一定程度上增加了造價(jià)。

3)單獨(dú)采用阻尼器能很好地控制結(jié)構(gòu)位移，且能將固定墩內(nèi)力減小約50%左右，活動(dòng)墩內(nèi)力增加也在可控范圍內(nèi)。

4)同時(shí)使用兩種減隔震裝置能更好地發(fā)揮減隔震作用，大幅減小橋墩內(nèi)力，同時(shí)限制結(jié)構(gòu)位移。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是依靠增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸、配筋從而提高結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、變形能力來(lái)抗震的，盡管通過(guò)適當(dāng)選擇塑性鉸的發(fā)生順序和細(xì)部延性設(shè)計(jì)，可以防止結(jié)構(gòu)的倒塌，但結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷不可避免。采用適當(dāng)?shù)臏p隔震措施能大大減少傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震力和能量，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

采用阻尼器和雙曲面減隔震支座兩種組合減隔震措施后，能同時(shí)發(fā)揮兩種裝置的優(yōu)點(diǎn)，大幅減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。但這兩種裝置的參數(shù)應(yīng)合理選擇，二者是否能同步協(xié)調(diào)工作還有待研究。

[1]楊智玲.鐵路鋼筋混凝土連續(xù)梁橋靜力彈塑性抗震分析[J].鐵道建筑，2011(6):25-27.

[2]范立礎(chǔ)，王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社，2001.

[3]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.分析設(shè)計(jì)原理[Z].北京:邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，2008.

[5]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/T B02-01—2008 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京:人民交通出版社，2008.

[6]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

[7]彭天波，李建中，范立礎(chǔ).雙曲面球型減隔震支座的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007(2):176-180.