龐 林， 劉力維， 董 俊， 曾永平

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

川藏鐵路擬建的雅拉河大橋橋址區(qū)位于康定市雅拉鄉(xiāng)，臨近雅拉河斷裂、鮮水河斷裂帶的幾個(gè)段落，其中雅拉河段、色拉哈段和磨西段的離逝時(shí)間已接近重復(fù)間隔， 未來(lái)存在發(fā)生特征地震的危險(xiǎn)，工程場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性主要為近場(chǎng)大震。根據(jù)地震安評(píng)報(bào)告，該地區(qū)屬于9度地震區(qū)，二類場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期0.5 s，罕遇地震峰值加速度達(dá)0.918g，安評(píng)地震記錄包含顯著的速度脈沖效應(yīng)，其PGV/PGA達(dá)2.5，應(yīng)考慮近場(chǎng)地震影響，豎向地震動(dòng)加速度峰值取水平地震動(dòng)加速度峰值的1.0倍。

當(dāng)前應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的耗能減震裝置主要包括兩大類，以黏滯阻尼器、電渦流阻尼器[1-6]等為代表的速度型阻尼器和以軟鋼金屬減震卡榫、記憶合金阻尼器等[7-12]為代表的位移型阻尼器。橋梁用各類阻尼器如圖1所示。

圖1 橋梁用各類阻尼器

1 工程概況及動(dòng)力分析模型

雅拉河大橋初步設(shè)計(jì)方案采用11×32 m+4×26 m結(jié)合梁簡(jiǎn)支梁橋，其中1#～9#橋墩之間為雙線橋，9#～14#橋墩之間為雙線+單線橋。采用Engineer’s Studio(ES)建立彈塑性纖維截面模型模擬橋墩潛在塑性鉸區(qū)真實(shí)變形曲率關(guān)系，以及結(jié)構(gòu)損傷后剛度退化、連接構(gòu)造非線性對(duì)整體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

雙線32 m跨結(jié)合梁自重約453 t，二期恒載雙線200 kN/m，單線100 kN/m，車輛荷載為ZKH荷載，曲線段設(shè)計(jì)車速120 km/h，曲率半徑800 m。橋墩、樁基礎(chǔ)混凝土采用C35，結(jié)合梁混凝土采用C50混凝土，鋼材Q420，縱筋HRB500。墩高15 m以上采用空心墩，15 m及以下采用實(shí)心墩。分析模型如圖2所示，安評(píng)地震動(dòng)反應(yīng)譜如圖3所示。

圖2 分析模型

圖3 安評(píng)報(bào)告輸入地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜

2 減隔震措施方案初選

該橋址場(chǎng)地波罕遇地震最大加速度峰值為0.92g，PGV/PGA達(dá)2.5，具有顯著脈沖特性，連接構(gòu)造位移難以控制。為此比選表1所述的兩種不同類型的阻尼器方案，包括速度型阻尼器和位移型阻尼器，并與摩擦擺支座形成組合減隔震體系。摩擦擺減隔震支座采用恢復(fù)力模型，初始剛度120 000 kN/m，屈后剛度為2 485 kN/m，初始屈服位移為2.61 mm。位移型阻尼器初始屈服位移取30 mm。

表1 減隔震設(shè)計(jì)方案

圖4 不同減震限位方案位移

罕遇地震不同減震限位方案連接構(gòu)造位移(順橋向)如圖4所示，計(jì)算表明：

1)速度型1～3方案采用黏滯阻尼器，基準(zhǔn)方案中每個(gè)支座布置一組縱橫向200 t阻尼器，連接構(gòu)造最大位移為260 mm。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的設(shè)計(jì)方案，每個(gè)雙線梁支座布置一組縱橫向100 t阻尼器，每個(gè)單線梁支座布置一組縱橫向50 t阻尼器，可將連接構(gòu)造最大位移控制在300 mm以內(nèi)，最大位移為292 mm。

2)位移型1～4方案采用金屬阻尼器方案。其初始屈服力由62 t增加至80 t，再增加至120 t時(shí)，連接構(gòu)造最大位移由543 mm降低至367 mm，再降低至291 mm。連接構(gòu)造位移逐步被控制在設(shè)計(jì)300 mm位移限值內(nèi)。位移型4方案給出了將位移型阻尼器極限承載力由200 t增加至300 t時(shí)，最大位移可進(jìn)一步減小至242 mm。

為此，選用速度型阻尼器方案3和位移型阻尼器方案3的力學(xué)性能參數(shù)，并基于罕遇地震下隔震橋梁保持基本彈性的設(shè)計(jì)原則，重新調(diào)整橋墩截面和配筯后進(jìn)行綜合比選分析。速度型阻尼器分別按照黏滯阻尼器和電渦流阻尼器設(shè)計(jì)。位移型阻尼器按照董俊等[13]提出耗能防落梁設(shè)計(jì)。

3 減隔震方案綜合比選

3.1 橋墩抗震性能

對(duì)比不同減隔震方案墩底彎矩最大值如圖5所示，可以看出各方案墩底內(nèi)力基本接近，偏差約10%。為考慮橋墩動(dòng)軸力的影響，將各方案共計(jì)12 050個(gè)軸力-彎矩橋墩內(nèi)力時(shí)程點(diǎn)與等效屈服P-M(軸力-彎矩)曲線繪制在圖6上。墩柱的承載力受弱軸控制，橋墩地震內(nèi)力時(shí)程點(diǎn)絕大多數(shù)落在等效屈服彎矩的屈服面內(nèi)與面上，僅有個(gè)別點(diǎn)落在屈服面之外。若再考慮一定的安全系數(shù)，以響應(yīng)較大的實(shí)心墩(4#墩)以及空心墩(10#墩)為例，將4#墩縱筋配筋率自0.9%調(diào)整至1.3%，10#墩縱筋配筋率自1.8%調(diào)整至2.2%后，所有地震響應(yīng)均包絡(luò)在等效屈服彎矩的屈服面內(nèi)。

圖5 墩底內(nèi)力比較

圖6 橋墩等效屈服彎矩驗(yàn)算

3.2 樁基抗震性能

對(duì)比不同減隔震方案樁頂最大軸拉力，如圖7所示，可以看出各方案樁基內(nèi)力基本接近，偏差約15%左右。在3種減隔震方案中，個(gè)別邊緣位置的樁基地震響應(yīng)超過(guò)了等效屈服彎矩屈服面，損傷模式為拉彎損傷。將部分超限的樁基配筋率由2.2%調(diào)增至3%后，重新驗(yàn)算。如圖8所示，樁基的地震響應(yīng)均在等效屈服彎矩的屈服面內(nèi)，滿足了罕遇地震基本彈性的性能要求。

圖7 樁頂軸向拉力比較

圖8 樁基等效屈服彎矩驗(yàn)算

3.3 連接構(gòu)造位移

罕遇地震作用下黏滯阻尼器、耗能防落梁和電渦流阻尼器方案最大連接構(gòu)造最大位移均發(fā)生在順橋向，分別為318、382、312 mm。橫橋向位移較小，分別為282、268、232 mm，如圖9所示。

3.4 結(jié)合梁抗震性能

用罕遇地震工況下的彎矩1.35×105kN·m除以主力工況下的彎矩0.79×105kN·m，比值為1.71，用Q420工字鋼罕遇地震容許應(yīng)力420 MPa除以主力作用容許應(yīng)力250 MPa，比值為1.68，說(shuō)明在近場(chǎng)地震分量較大的情況下(加速度峰值0.92g，與水平比值為1.0)，罕遇地震工況相較于主力工況可能更控制設(shè)計(jì)，但相差不大可按照主力進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

圖9 墩梁連接構(gòu)造位移

結(jié)合梁按基本彈性設(shè)計(jì)，分析表明跨中彎矩由一階豎彎控制。主梁一階豎彎周期為0.32 s，處于加速度反應(yīng)譜平臺(tái)段，查詢安評(píng)人工波反應(yīng)譜譜值，對(duì)應(yīng)的動(dòng)力放大系數(shù)為2.5左右。按反應(yīng)譜法計(jì)算主梁自重與地震響應(yīng)線性疊加的豎向加速度為3.3g(自重1g+動(dòng)力2.5×0.92g)，不考慮水平地震對(duì)主梁彎矩的耦合，僅考慮豎向地震作用下，按照均布力計(jì)算的跨中彎矩為1.44×105kN·m，與有限元時(shí)程分析結(jié)果1.35×105kN·m，僅偏大6.73%。將扣除自重的動(dòng)力時(shí)程結(jié)果與自重工況計(jì)算的罕遇跨中彎矩相比，繪制獲得的動(dòng)力系數(shù)時(shí)程，如圖10所示，罕遇地震動(dòng)的動(dòng)力放系數(shù)最大為2.20，與理論分析相接近。

圖10 跨中彎矩動(dòng)力系數(shù)時(shí)程

4 結(jié)論

以川藏鐵路雅拉河大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，比選采用不同類型阻尼器(速度型和位移型)的在近斷層高地震烈度區(qū)鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)中的適用性，研究表明：

1)雅拉河大橋雙(單)線采用100 t的速度型阻尼器或120 t的位移型阻尼器方案均能滿足川藏鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)關(guān)于“罕遇地震結(jié)構(gòu)保持基本彈性的設(shè)計(jì)要求”，連接構(gòu)造相對(duì)位移能夠控制在400 mm以內(nèi)。其中15 m以上橋墩采用空心墩，最大配筋率2.2%，15 m以下橋墩為實(shí)心墩，最大配筋率1.3%。樁基直徑1.5 m，最大配筋率3%。按照正常使用進(jìn)行結(jié)合梁的初步設(shè)計(jì)基本可滿足罕遇地震工況的抗震需求，結(jié)合梁工字鋼最大應(yīng)力402.4 MPa，混凝土最大應(yīng)力17.7 MPa。

2)黏滯阻尼器耐久性問(wèn)題較為突出，應(yīng)用在環(huán)境復(fù)雜艱險(xiǎn)、維護(hù)檢修困難的川藏線上存在一定問(wèn)題；同參數(shù)的電渦流阻尼器的耗能限位效果整體與黏滯阻尼器相當(dāng)，在功能上能夠代替黏滯阻尼器；耗能防落梁方案與電渦流阻尼器方案相比，經(jīng)濟(jì)性突出，參數(shù)設(shè)計(jì)靈活。除順橋向外電渦流阻尼器方案對(duì)連接構(gòu)造位移控制的效果更為優(yōu)異，橫橋向連接構(gòu)造位移的控制水平相當(dāng)，樁基、墩和梁內(nèi)力控制基本一致。

綜合考慮減隔震性能與經(jīng)濟(jì)性，橫橋向采用耗能防落梁方案，順橋向采用電渦流阻尼器效果更佳。