孟 兮,高 日

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044； 2.中冶建筑研究總院有限公司國(guó)家鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心,北京 100088)

我國(guó)高速鐵路建設(shè)中大量采用了“以橋代路”方式，橋梁累計(jì)長(zhǎng)度占線路總長(zhǎng)的比例均在50%以上[1-2]，其中絕大部分是32、24 m等常用跨度簡(jiǎn)支箱梁橋。高速鐵路橋梁為滿足行車安全及舒適性，橋墩剛度大、基頻高，導(dǎo)致其所受的地震作用就更大，特別是“以橋代路”中的低矮橋墩，罕遇地震作用時(shí)傳統(tǒng)的延性抗震設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。

高速鐵路橋梁的自振周期均較小，理論上更適合采用減、隔震技術(shù)。廣大學(xué)者對(duì)減、隔震技術(shù)在鐵路橋梁中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的分析研究[3-5]，其中研究較多的有鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座等。目前采用鉛芯橡膠支座對(duì)橋梁進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)已經(jīng)比較成熟[6-9]，但工程實(shí)踐表明，橡膠支座剛度較低，難以滿足鐵路橋梁動(dòng)力性能方面的要求，且存在耐久性差、穩(wěn)定性差等問題；摩擦擺支座具有承載能力高、穩(wěn)定性好及自復(fù)位功能等優(yōu)點(diǎn)，已在橋梁抗震設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用[10-14]，但目前其在鐵路橋梁上的應(yīng)用并不多，其與高速鐵路橋梁的適用性仍需進(jìn)一步的探討。可見，高速鐵路橋梁的行車安全性、舒適性指標(biāo)等對(duì)其支座的剛度、耐久性等有嚴(yán)格的要求，一般的減、隔震裝置難以滿足。

近年來隨著支座功能分離設(shè)計(jì)理念的提出，減、隔震技術(shù)有了新的思路。高日、李承根[15-16]等提出了減震榫-活動(dòng)支座系統(tǒng)，并從理論、試驗(yàn)兩方面對(duì)水平承載構(gòu)件減震榫的結(jié)構(gòu)形式、力學(xué)性能及支座系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等進(jìn)行了研究探討。減震榫-活動(dòng)支座系統(tǒng)是我國(guó)鐵路自主創(chuàng)新的新型減、隔震裝置，已在蘭新高鐵若干簡(jiǎn)支箱梁上試點(diǎn)安裝使用。

采用減震榫-活動(dòng)支座后，梁體的工作狀態(tài)由“固-活”的傳統(tǒng)約束方式變成了兩端彈性約束，支座處約束與傳力機(jī)制的改變必然會(huì)對(duì)橋梁地震響應(yīng)產(chǎn)生影響。本文介紹了減震榫-活動(dòng)支座的工作原理及力學(xué)模型，并以實(shí)際工程中5跨簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔瑢?duì)其進(jìn)行抗震性能分析；通過改變支座參數(shù)及橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，對(duì)減震榫-活動(dòng)支座簡(jiǎn)支梁橋的地震響應(yīng)變化規(guī)律和特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 減震榫-活動(dòng)支座系統(tǒng)研究

1.1 減震榫-活動(dòng)支座工作原理及構(gòu)造形式

減震榫-活動(dòng)支座的構(gòu)造簡(jiǎn)圖見圖1。裝置中的豎向承重構(gòu)件采用活動(dòng)支座，而減震榫一方面須在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)滿足列車對(duì)橋梁剛度的使用要求，另一方面又要在強(qiáng)震下產(chǎn)生足夠的塑性變形，達(dá)到降低地震力的目的，是整個(gè)支座系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)件。

圖1 減震榫-活動(dòng)支座系統(tǒng)

基于上述對(duì)于剛度及延性的雙重需求，減震榫截面選型為圓形，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為直徑線性變化的過渡段與等強(qiáng)度屈服的耗能段(圖2)，可根據(jù)實(shí)際工程需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),以達(dá)到使用需求及減震耗能需求的平衡。

減震榫除滿足力學(xué)性能要求外，還需要保證其與橋墩及梁體的構(gòu)造連接合理可行，如圖2所示。減震榫底端設(shè)計(jì)為板式，通過高強(qiáng)螺栓與橋墩頂端的預(yù)埋件連接，并處理成剛接。減震榫頂端設(shè)計(jì)為球形，通過轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦副(球形傳力鍵與球鉸裝置)和豎向摩擦副(聚四氟乙烯滑塊與傳力筒)與梁體連接，實(shí)現(xiàn)了減震榫與梁體的鉸接傳力，且可消除減震榫的安裝誤差對(duì)其延性穩(wěn)定性的不利影響[17]。

圖2 減震榫結(jié)構(gòu)形式及其與墩、梁的連接構(gòu)造

1.2 減震榫-活動(dòng)支座單元本構(gòu)

根據(jù)減震榫-活動(dòng)支座的工作原理，可得其單元模型如圖3所示。圖中，F(xiàn)y為減震榫-活動(dòng)支座的屈服荷載，當(dāng)支座水平荷載小于Fy時(shí)，彈簧K1、K2均發(fā)揮作用，支座剛度為K1+K2；當(dāng)減震榫-活動(dòng)支座水平荷載大于Fy時(shí)，K1失效，只有K2發(fā)揮作用，即代表減震榫屈服進(jìn)入塑性耗能狀態(tài)，C為單元阻尼系數(shù)，M為梁端支座支撐的上部結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量。

圖3 減震榫-活動(dòng)支座力學(xué)模型

為方便進(jìn)行計(jì)算分析，文獻(xiàn)[8]對(duì)減震榫單根構(gòu)件進(jìn)行了理論分析和擬靜力試驗(yàn)研究，確定了其雙線性恢復(fù)力模型，如圖4所示。假設(shè)梁端設(shè)置n根減震榫，結(jié)合圖3可得，支座初始剛度Ku=nku=K1+K2，屈服后剛度Kd=nkd=K2，F(xiàn)y=nFy1。

圖4 減震榫雙線性恢復(fù)力模型

2 減震榫-活動(dòng)支座減震效果及參數(shù)影響分析

2.1 計(jì)算模型

橋梁模型選擇蘭新高鐵某5跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋，跨徑布置為5×32 m，如圖5所示。上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室等高度預(yù)應(yīng)力箱梁，混凝土等級(jí)為C50；下部結(jié)構(gòu)采用圓端形2.5 m×6.0 m實(shí)體橋墩，C35現(xiàn)澆混凝土，墩高均為8 m。橋梁所處場(chǎng)地類別為Ⅱ類，8度設(shè)防。采用ANSYS軟件建立全橋有限元模型，墩、梁采用梁?jiǎn)卧M，利用彈簧單元Combin40來實(shí)現(xiàn)圖3所示的支座力學(xué)模型。假設(shè)分析過程中橋墩保持線彈性，橋墩與地面固結(jié)處理。

計(jì)算采用2種工況：工況1，梁體與墩、臺(tái)之間采用傳統(tǒng)“固-活”連接方式；工況2，梁體與墩、臺(tái)之間通過減震榫-活動(dòng)支座連接，一孔梁(雙線)共設(shè)置16根減震榫，減震榫力學(xué)參數(shù)見文獻(xiàn)[11]。

圖5 5×32 m簡(jiǎn)支梁橋簡(jiǎn)圖

2.2 減震效果分析

沿橋梁縱向輸入3條適合Ⅱ類場(chǎng)地的歷史地震記錄，分別簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)波(1989 Loma Prieta)、M波(2010 E1 Mayor-Cucapah Mexico)和E波(1940 Imperial USA)，地震波峰值加速度統(tǒng)一調(diào)整為0.51g。

表1為3條地震波作用下2種工況橋梁地震響應(yīng)對(duì)比，表中數(shù)據(jù)意義分別為“P1墩/P2墩”峰值內(nèi)力及“1號(hào)/2號(hào)/3號(hào)”梁體峰值位移響應(yīng)。從表中可以看出：采用減震榫-活動(dòng)支座后，墩底剪力和彎矩均顯著減小，減震率達(dá)到75%以上，取得了良好的減震效果；但在一定程度上增加了上部結(jié)構(gòu)的位移。減震榫為位移型阻尼器，其耗能能力的發(fā)揮依賴于一定量的相對(duì)位移，但同時(shí)會(huì)增大大震時(shí)梁體間碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，因此工程設(shè)計(jì)中須注意采用合理的限位裝置對(duì)上部結(jié)構(gòu)位移加以控制。

表1 2種工況下橋梁地震響應(yīng)峰值對(duì)比

2.3 屈服強(qiáng)度的影響

屈服強(qiáng)度是減震榫-活動(dòng)支座基本的動(dòng)力參數(shù)之一，在滿足橋梁正常使用的前提下，屈服強(qiáng)度直接對(duì)支座系統(tǒng)的屈服位移及阻尼產(chǎn)生影響。定義參數(shù)屈服強(qiáng)度比Fy/W，其中，F(xiàn)y為支座系統(tǒng)中減震榫總的屈服強(qiáng)度，W為上部梁體的總重力，圖6給出了Fy/W對(duì)P2墩底峰值剪力及2號(hào)梁體峰值位移的影響。

圖6 屈服強(qiáng)度比對(duì)墩底峰值剪力及梁體峰值位移的影響

可以看出，給定初始剛度及屈服后剛度后，隨著屈服強(qiáng)度比Fy/W的增加，墩底剪力有增大的趨勢(shì)，這是支座剛度與橋墩的組合剛度增加造成的。梁體位移的變化與墩底剪力相反，隨著Fy/W的增大迅速減小，這是由于當(dāng)屈服強(qiáng)度較小時(shí)，支座系統(tǒng)類似于一個(gè)剛度接近屈服后剛度的線性彈簧，橋梁整體剛度較小且減震榫的有效阻尼很小，梁體的位移得不到很好的控制；只有當(dāng)屈服強(qiáng)度達(dá)到一定大小時(shí)，減震榫滯回曲線形狀飽滿，才能保證支座系統(tǒng)有足夠的阻尼來控制梁體位移。因此在確定減震榫-活動(dòng)支座的屈服強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)綜合考慮其對(duì)橋墩內(nèi)力和梁體位移不同的影響規(guī)律。

2.4 硬化比的影響

減震榫-活動(dòng)支座應(yīng)具有足夠高的初始剛度Ku和較低的屈服后剛度Kd，硬化比α=Kd/Ku體現(xiàn)了二者的關(guān)系，圖7給出了P2墩頂及B4支座峰值位移隨變化的計(jì)算結(jié)果。圖中第一組為Ku=1 879.26 kN/cm時(shí)，α分別為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25的結(jié)果；第二組為Kd=120.74 kN/cm時(shí)，α分別為0.05、0.10、0.15。

圖7 α對(duì)墩頂及支座峰值位移的影響

可以看出，Ku一定時(shí)，墩頂位移隨α的增大而增大，意味著其減震率降低；而Kd一定時(shí)，α對(duì)墩頂位移影響不大，可見橋墩內(nèi)力減震效果主要由減震榫的屈服后剛度決定，Kd越小，減震效果越好。對(duì)于支座位移，Ku與Kd均對(duì)其有所影響，支座位移隨Ku減小而單調(diào)增大；初始剛度一定，α小于0.15時(shí)，Kd對(duì)支座位移無顯著影響，而當(dāng)硬化比α超過0.15后，支座位移隨著Kd的增加迅速減小，減震榫的耗能能力降低。綜合考慮，初始剛度滿足正常使用要求的前提下，建議減震榫-活動(dòng)支座的硬化比α控制在0.15以下。

2.5 橋墩抗剪剛度的影響

地震作用下，橋墩抗剪剛度對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響較大，本節(jié)通過只變化橋墩高度的方式對(duì)橋墩抗剪剛度作出改變，以分析其對(duì)減震榫-活動(dòng)支座橋梁抗震性能的影響。由于32 m跨雙線簡(jiǎn)支梁橋墩頂縱向水平剛度最低值為400 kN/cm[18]，因此橋墩高度限定在24 m以下。橋墩抗剪剛度隨墩高的變化見表2，可以看出，隨著墩高的增加，橋墩的抗剪剛度越來越低。

表2 橋墩變化參數(shù)

圖8、圖9分別給出了P2墩底峰值彎矩及其減震率隨橋墩墩高變化的計(jì)算結(jié)果。

圖8 墩底峰值彎矩隨橋墩高度變化規(guī)律

可以看出：橋墩抗剪剛度對(duì)于橋墩的地震響應(yīng)有較大影響。墩底最大彎矩隨著橋墩抗剪剛度降低而增大，前期增長(zhǎng)速度較快，后期增長(zhǎng)緩慢；墩底彎矩減震率總體呈現(xiàn)一個(gè)先上升再降低的趨勢(shì)，橋墩高度在8～16 m時(shí)支座減震效果最好，減震率可達(dá)到80%左右。

圖9 減震率隨橋墩高度變化規(guī)律

圖10給出了2號(hào)梁體及B4支座位移的變化曲線，可以看出，橋墩較“剛”時(shí)，支座位移與梁體位移接近且較小，減震榫難以充分進(jìn)入塑性階段消耗地震能量；而橋墩較“柔”時(shí)，墩頂位移迅速增加，其對(duì)于梁體位移的貢獻(xiàn)也越來越大，此時(shí)盡管梁體位移很大，支座位移反而減小，減震榫的耗能能力同樣得不到充分發(fā)揮。根據(jù)本小節(jié)計(jì)算分析，減震榫-活動(dòng)支座用于墩高小于16 m的橋墩時(shí)能充分發(fā)揮其耗能能力。

圖10 梁體及支座峰值位移隨橋墩高度變化規(guī)律

3 結(jié)論

(1)高速鐵路簡(jiǎn)支梁橋上設(shè)置減震榫-活動(dòng)支座后，能有效降低橋墩的地震需求，減震效果良好，但同時(shí)會(huì)增加橋梁上部結(jié)構(gòu)的位移，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意設(shè)置合理的限位裝置。

(2)橋墩地震響應(yīng)隨減震榫-活動(dòng)支座屈服強(qiáng)度比增加而增大，而梁體位移隨其增加而減小。因此在確定減震榫-活動(dòng)支座強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)綜合考慮其對(duì)橋墩內(nèi)力和梁體位移不同的影響規(guī)律。

(3)初始剛度對(duì)上部結(jié)構(gòu)位移影響較大；而屈服后剛度主要影響橋墩的地震響應(yīng)。初始剛度確定后，硬化比超過0.15后會(huì)導(dǎo)致支座位移迅速減小，為保證減震榫耗能能力的發(fā)揮，建議硬化比控制在0.15以下。

(4)橋墩剛度對(duì)減震榫-活動(dòng)支座的減震效果影響較大，橋墩內(nèi)力減震率隨橋墩剛度減小呈現(xiàn)一個(gè)先上升再降低的趨勢(shì)。為保證減震榫耗能能力充分地發(fā)揮，建議其在墩高小于16 m的低矮橋墩上使用。

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