李 艷,王江波,牛遠志,馬 廣

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

1 概述

伴隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國高速鐵路建設也取得了飛速的進步，隨著設計、施工建造水平的大幅提高，大跨度高速鐵路橋梁層出不窮，其中大跨連續(xù)梁-拱組合結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的造型、良好的受力體系備受青睞。高速鐵路大跨度連續(xù)梁拱結(jié)構(gòu)的特點是梁體自重大、橋墩剛度大，在高烈度震區(qū)固定墩設計困難，其在地震中的安全性需要深入研究，加之我國處于世界兩大地震帶之間，地震活動多而且劇烈[1-5]，因此研究地震作用下高速鐵路大跨連續(xù)梁-拱組合結(jié)構(gòu)抗震性能具有重要的工程應用價值。以一座跨度(110+228+110) m大跨連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)為背景，進行了其抗震性能研究，顯示出減隔震設計的有效性，為后續(xù)的類似工程提供參考設計。

(110+228+110) m大跨連續(xù)梁拱為鹽通鐵路鹽城南特大橋的一部分，主橋采用3跨連續(xù)梁橋，主橋兩側(cè)邊界聯(lián)均接32 m簡支梁，采用圓端形橋墩，墩高在10～16.5 m，基礎采用樁基礎，地質(zhì)資料主要為粉質(zhì)黏土和粉土，場地類別為Ⅲ類，全橋立面如圖1所示。

圖1 (110+228+110) m大跨連續(xù)梁拱全橋立面(單位：cm)

本長聯(lián)連續(xù)梁拱位于高震區(qū)，固定墩墩底地震響應彎矩和剪力值非常大[6-8]，而此時強制要求固定墩及其基礎滿足強度要求是不經(jīng)濟的，采用延性抗震設計發(fā)生的損傷修復困難，采用常規(guī)橋梁支座無法滿足抗震設防要求，因此擬針對結(jié)構(gòu)進行特殊抗震設計，提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間。

針對本結(jié)構(gòu)的特點，擬采用4種抗震體系進行對比：(1)采用普通支座體系，進行延性設計；(2)采用速度鎖定器體系，縱橋向活動墩和聯(lián)間墩分別設置速度鎖定器，分擔固定墩受力，橫橋向仍是普通固定支座；(3)黏滯阻尼器體系，縱橋向全部采用滑動支座半漂浮體系，兩個主墩設置黏滯阻尼器，橫橋向仍是普通固定支座；(4)雙曲面隔震支座體系，縱橫向都采用雙曲面球型減隔震支座進行減隔震設計。

2 地震動輸入和有限元模型建立

2.1 地震動輸入

該橋橋址處地震基本烈度為Ⅶ度，地震基本加速度為0.15g，場地類別為Ⅲ類[9-10]，詳細安評結(jié)果如表1所示。

表1 鹽城南特大橋地震安評場地地表

2.2 有限元模型建立

圖2 (110+228+110) m連續(xù)梁拱橋有限元模型

大橋采用Midas Civil有限元計算分析程序，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的總體構(gòu)造布置，建立了結(jié)構(gòu)動力特性和地震反應分析的三維有限元模型(圖2)。其中，主梁、橫梁和橋墩用梁單元模擬；樁基礎采用等效的土彈簧單元模擬土-樁基礎的相互作用；考慮地震作用下活動支座滑動摩擦效應和雙曲面減隔震支座的非線性；考慮邊界條件的影響，邊界簡支梁跨在大跨側(cè)縱向全部為活動支座，考慮邊界聯(lián)簡支梁跨的橫向影響，將聯(lián)間簡支梁的自重、二期恒載以及活載轉(zhuǎn)化為集中質(zhì)量，施加于相應位置；三摩擦副雙曲面球型減隔震支座通過采用摩擦擺單元和鉤單元、間隙單元并聯(lián)來模擬支座的平面摩擦副，采用曲面摩擦擺單元模擬支座的曲面摩擦副，兩個摩擦副串聯(lián)；在有限元模型中采用墩頂節(jié)點與其對應主梁節(jié)點主從約束來模擬速度鎖定器裝置的作用；黏滯阻尼器采用Midas有限元自帶的阻尼器單元進行模擬。

3 抗震體系比選結(jié)果

針對第二部分的不同抗震比選方案進行了最控制工況的比選，見表2。從表2可以看出，最終選擇縱、橫向都比較適用性強的雙曲面減隔震支座方案為推薦方案。

表2 不同抗震分析方案的比選結(jié)果

4 雙曲面減隔震支座參數(shù)設計

目前，鐵路橋梁雙曲面減隔震支座已經(jīng)在國內(nèi)很多重大鐵路工程中得到應用，如寶蘭高鐵、京沈高鐵等項目。本橋雙曲面減隔震支座的噸位達到160 000 kN，是目前國內(nèi)最大噸位的鐵路雙曲面球型減隔震支座。

雙曲面球型減隔震支座參數(shù)包括：豎向承載力、設計轉(zhuǎn)角、正常位移、等效曲率半徑、水平極限承載力及滑動摩擦系數(shù)，其中需要通過抗震分析確定的支座參數(shù)為等效曲率半徑、水平極限承載力及滑動摩擦系數(shù)[11-18]。

水平極限承載力的取值與橋梁的抗震設計水準相關，根據(jù)橋墩和基礎的抗力和剪力銷更換頻率，通過比選來選定剪斷時刻。為了選出合理剪斷時刻，進行了1.05倍、1.2倍、1.5倍下多遇地震剪斷時刻下部基礎的計算，考慮到下部基礎的設計難度(多遇地震下彈性設計，罕遇地震下的基本彈性設計)和兼顧剪力銷更換的頻率，以及后期養(yǎng)護維修的成本，推薦水平極限承載力為1.05倍多遇地震的支座水平反力。

等效曲率半徑及滑動摩擦系數(shù)的取值需通過抗震分析，既滿足橋墩受力要求，又控制梁體與橋墩的相對位移不超出一定范圍。

4.1 等效曲率半徑

為了選擇合適支座的等效曲率半徑，進行了兩種工況的分析計算，計算結(jié)果見表3。

從表3可以看出，支座等效曲率半徑增大，地震位移增加。為了避免支座出現(xiàn)過大的地震位移，應該適當減小支座的等效曲率半徑，同時支座曲率半徑增大會帶來支座平面尺寸和支座質(zhì)量的增大，增加造價，工況2比工況1的支座質(zhì)量增大15%。綜合考慮，本項目采用工況1的等效半徑取值方案：即豎向承載力為8 000 kN和160 000 kN的雙曲面支座的曲率半徑R分別為2.5 m和6.0 m。

表3 不同曲率半徑的地震位移

4.2 摩擦系數(shù)

為了選擇合適的摩擦系數(shù)，先后計算了摩擦系數(shù)為0.05，0.06，0.08的地震位移，計算結(jié)果見表4。

表4 不同摩擦系數(shù)下的地震位移

由表4可知，當摩擦系數(shù)較小時，地震位移較大，增大曲面摩擦副的摩擦系數(shù)可有效降低地震位移。本項目選用的雙曲面減隔震支座摩擦系數(shù)取值為0.06。

4.3 減隔震效果分析

根據(jù)上述參數(shù)比選設計得出的減隔震支座參數(shù)，進行雙曲面減隔震支座的減隔震效果分析，計算結(jié)果見表5。

減震率=1-雙曲面減隔震支座響應值/非減隔震常規(guī)支座響應值

表5 雙曲面球型減隔震支座減隔震效果分析

由表5可知，采用雙曲面減隔震支座減隔震效果顯著，剪力減隔震率為59.9%～86.7%，彎矩減隔震率為70.9%～88.6%，明顯減小了縱橋向固定墩和橫橋向各墩的地震內(nèi)力響應，為優(yōu)化設計提供了條件。

5 結(jié)論與建議

針對大跨連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)在高烈度震區(qū)固定墩設計困難的問題，通過采用普通支座體系、速度鎖定器體系、黏滯阻尼器體系、雙曲面減隔震支座體系4種不同的抗震方案進行計算，結(jié)果表明，采用雙曲面減隔震支座優(yōu)勢明顯[19-20]。

通過雙曲面減隔震支座參數(shù)設計，選取了合適的支座參數(shù)，大跨連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)采用雙曲面減隔震支座后，剪力減隔震率為59.9%～86.7%，彎矩減隔震率為70.9%～88.6%，明顯減小了縱橋向固定墩和橫橋向各墩的地震內(nèi)力響應，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來較大空間。需要注意的是采用雙曲面減隔震支座后，支座滑動位移會變大，需要通過設置緩沖彈塑性擋塊等抗震構(gòu)造措施來防止碰撞破壞、落梁等地震災害的發(fā)生。