李明鵬

(重慶萬(wàn)橋交通科技發(fā)展有限公司， 重慶 401336)

在列車(chē)制動(dòng)力、牽引力及地震荷載下，斜拉橋主梁梁端會(huì)發(fā)生不同程度的位移，由于鐵路列車(chē)要求運(yùn)行平穩(wěn)、乘坐舒適，就需減小這些荷載作用下的梁端位移，因此，需根據(jù)列車(chē)制動(dòng)力、牽引力及地震荷載下主梁梁端位移，選擇合理的支承體系[1-2]。

鐵路斜拉橋在邊墩、輔助墩及橋塔處一般設(shè)置豎向支承，在端支點(diǎn)及中支點(diǎn)處設(shè)置橫向抗風(fēng)支座及限位構(gòu)件以抵抗橫向地震作用。塔梁縱向連接方式分為[3]：1) 塔梁固定鉸支承體系；2) 半漂浮體系；3) 塔梁不對(duì)稱(chēng)約束體系；4) 阻尼減震體系；5) 塔梁彈性約束體系。在地震力及列車(chē)制動(dòng)力作用下，為確保塔底的內(nèi)力及梁端位移均保持較小，鐵路斜拉橋縱向支承體系通常選擇塔梁不對(duì)稱(chēng)約束體系、塔梁彈性約束體系及阻尼減震體系。

在鐵路斜拉橋抗震中，縱向支承體系存在轉(zhuǎn)換，即在多遇地震及設(shè)計(jì)地震下，列車(chē)制動(dòng)力成為主導(dǎo)因素。因此，為減小列車(chē)制動(dòng)力下的梁端位移，通常選擇縱向剛度大的塔梁不對(duì)稱(chēng)約束體系及塔梁彈性約束體系。在罕遇地震下，地震力成為主導(dǎo)因素，此時(shí)需要發(fā)揮抗震阻尼器的作用，因此需從塔梁不對(duì)稱(chēng)約束體系及彈性約束體系轉(zhuǎn)換為阻尼減震體系[4-5]。本文基于明月峽長(zhǎng)江大橋工程，采用Midas Civil軟件模擬了四線(xiàn)鐵路斜拉橋在罕遇地震下縱向支承體系的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

1 工程概況

明月峽長(zhǎng)江大橋位于長(zhǎng)江上游重慶市南岸區(qū)廣陽(yáng)鎮(zhèn)玉泉村，是重慶東環(huán)線(xiàn)及達(dá)渝城際鐵路控制性工程。大橋全長(zhǎng)877.5 m，主橋?yàn)?25 m鋼桁梁高低塔斜拉橋，跨度布置為(62.5+125+425+175+75) m，兩主塔采用不等高塔，珞璜南側(cè)2#主塔、磨心坡側(cè)3#主塔總高度分別為188.5 m、203.5 m。主梁為鋼桁梁，其中上層為雙線(xiàn)達(dá)渝城際鐵路，下層為東環(huán)線(xiàn)雙線(xiàn)鐵路，大橋總體布置如圖1所示。

大橋主梁采用兩主桁直桁結(jié)構(gòu)，雙塔雙索面。2#主塔設(shè)縱向活動(dòng)支座，3#主塔設(shè)固定支座，輔助墩及橋臺(tái)設(shè)縱向活動(dòng)支座。同時(shí)兩塔各設(shè)4個(gè)抗震用粘滯阻尼器，最大出力3 500 kN，主梁約束體系布置如圖2所示。

單位：cm

圖2 主梁約束體系布置

2 罕遇地震抗震設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

根據(jù)橋梁所處的地理位置，參照中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖，大橋抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，基本地震動(dòng)峰值加速度0.05g，場(chǎng)地特征周期0.35 s。依據(jù)GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，大橋?qū)儆诩夹g(shù)復(fù)雜、修復(fù)困難的特殊結(jié)構(gòu)橋梁，抗震設(shè)防類(lèi)別為A類(lèi)，宜進(jìn)行單獨(dú)抗震設(shè)計(jì)。

按照鐵路工程三階段水準(zhǔn)抗震設(shè)計(jì)，罕遇地震采用50年超越概率2%對(duì)應(yīng)的烈度，換算成重現(xiàn)期為2 475年[6]。目前最常用的抗震計(jì)算方法為反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法，為充分考慮結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的非線(xiàn)性及多自由度振動(dòng)的影響，罕遇地震分析采用地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告中提供的Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地人工合成地震動(dòng)時(shí)程[7-9]。人工時(shí)程地震波時(shí)間步長(zhǎng)0.02 s，水平方向加速度峰值為134.9 cm/s2，罕遇地震下3條人工時(shí)程曲線(xiàn)如圖3～圖5所示。

圖3 罕遇地震人工時(shí)程波1

圖4 罕遇地震人工時(shí)程波2

圖5 罕遇地震人工時(shí)程波3

罕遇地震下主塔、輔助墩及邊墩承受很大的彎矩和剪力，塔墩都已進(jìn)入塑性，延性抗震設(shè)計(jì)已不能滿(mǎn)足抗震需求，需考慮減隔震設(shè)計(jì)[10]。大橋在兩主塔與主梁連接處各設(shè)4個(gè)抗震用粘滯阻尼器，最大出力3 500 kN，當(dāng)粘滯阻尼器發(fā)揮作用時(shí)，需使主梁在縱向自由活動(dòng)。由圖2主梁約束體系可知，主梁在3#主塔處主梁縱向被固定，因此進(jìn)行罕遇地震下分析需模擬主梁在3#主塔處從固定約束轉(zhuǎn)為自由活動(dòng)狀態(tài)，即主梁經(jīng)歷了從塔梁不對(duì)稱(chēng)約束體系到阻尼減震體系的轉(zhuǎn)換。

3 支承體系轉(zhuǎn)換模擬

3.1 建模

采用Midas Civil建立全橋有限元桿系模型，如圖6所示。在地震作用下，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)很大程度上取決于橋梁的質(zhì)量及剛度，為此，斜拉索模擬使用設(shè)計(jì)索力，將所有恒載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。主塔的4個(gè)支座編號(hào)順序，依次為1#、2#、3#、4#(縱向從珞璜南側(cè)到磨心坡側(cè)，橫向從左到右)。4個(gè)支座均采用承載力高、抗震性能好的球鋼支座，其中1#為縱向活動(dòng)支座、2#為多向活動(dòng)支座、3#為固定支座，4#為橫向活動(dòng)支座。各種球鋼支座的三向承載力如表1所示，其中3#、4#球鋼支座縱向能承受16 000 kN的剪斷力。

圖6 全橋有限元模型

表1 各種球鋼支座的三向承載力數(shù)值 kN

3.2 體系轉(zhuǎn)換模擬

為獲取罕遇地震工況下主梁支承體系經(jīng)歷從塔梁不對(duì)稱(chēng)約束體系到阻尼抗震體系的轉(zhuǎn)換，通過(guò)求取3#、4#球鋼支座在罕遇地震下的受力，判定罕遇地震作用下銷(xiāo)釘剪斷的時(shí)刻。為此，大里程主塔固定支座邊界條件使用“一般連接/彈簧”模型進(jìn)行模擬，彈簧剛度取大值[11]。修改邊界條件后，整橋模型導(dǎo)入罕遇地震下人工時(shí)程數(shù)據(jù)，從一般連接內(nèi)力時(shí)程文本數(shù)據(jù)可得：球鋼支座的縱橋向水平剪斷力在地震作用的第8 s達(dá)到16 000 kN，此時(shí)約束縱橋向的銷(xiāo)釘被剪斷，之后主梁在地震作用下開(kāi)始自由活動(dòng)，主梁帶動(dòng)粘滯阻尼器活塞不斷來(lái)回運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼力。

確定主梁縱向支承體系轉(zhuǎn)換的時(shí)刻后，將銷(xiāo)釘剪斷時(shí)刻的初始內(nèi)力狀態(tài)作為前次荷載工況，在 8 s～45 s罕遇地震時(shí)程荷載工況設(shè)置中勾選“接續(xù)前次”，并在前述工況基礎(chǔ)上累加位移、速度及加速度，得到后續(xù)的分析結(jié)果[12-13]。修改模型邊界條件并添加粘滯阻尼器，對(duì)粘滯阻尼器的速度指數(shù)及阻尼系數(shù)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析后，確定阻尼器參數(shù)：速度指數(shù)0.4、阻尼系數(shù)3 500 kN/(m/s)α、最大出力 3 000 kN、阻尼器最大行程500 mm。粘滯阻尼器在有限元中采用“一般連接/Maxwell模型”模擬，非線(xiàn)性特性值取值設(shè)置如圖7所示。

圖7 粘滯阻尼器Maxwell模型參數(shù)設(shè)置

3.3 結(jié)果分析

由于大橋主塔、輔助墩及邊墩均屬不可修復(fù)構(gòu)件，在罕遇地震作用下要求保持彈性狀態(tài)，即不進(jìn)入塑性。為驗(yàn)證罕遇地震下主塔是否處于彈性狀態(tài)，須先求取主塔塔底截面的彎矩-曲率曲線(xiàn)，后對(duì)比罕遇地震下主塔的塔底彎矩和彎矩-曲率曲線(xiàn)中的初始屈服彎矩，再判斷主塔是否處于彈性狀態(tài)[14-15]。罕遇地震下2#、3#主塔塔底截面彎矩-曲率曲線(xiàn)如圖8、圖9所示。

銷(xiāo)釘剪斷后主梁在橋梁縱向自由活動(dòng)，粘滯阻尼器耗能減震。在減隔震體系下，獲取2#、3#主塔在罕遇地震下的塔底彎矩時(shí)程數(shù)據(jù)，如表2所示，并與主塔屈服彎矩進(jìn)行對(duì)比，如圖10、圖11所示。

圖8 2#主塔塔底彎矩-曲率曲線(xiàn)

圖9 3#主塔塔底彎矩-曲率曲線(xiàn)

圖10 罕遇地震下2#主塔塔底彎矩

圖11 罕遇地震下3#主塔塔底彎矩

表2 罕遇地震下有無(wú)阻尼器主塔塔底彎矩 ×105 kN·m

分析表2可知，在主塔塔底設(shè)置阻尼器后，2#、3#主塔塔底彎矩顯著小于屈服彎矩，可判斷在減隔震體系下，主塔處于彈性狀態(tài)；而無(wú)阻尼器工況下，2#、3#主塔塔底彎矩超出屈服彎矩，可判斷主塔處于塑性，因此在阻尼抗震體系下結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足抗震設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1) 鐵路斜拉橋?yàn)闇p小由列車(chē)制動(dòng)力及牽引力引起的梁端位移，塔梁縱向通常選用剛度較大的不對(duì)稱(chēng)約束體系及彈性約束體系，而在地震荷載下通常選用阻尼抗震體系，通過(guò)阻尼器耗能減震。

2) 基于明月峽長(zhǎng)江大橋，模擬了罕遇地震下鐵路斜拉橋從塔梁不對(duì)稱(chēng)約束體系到阻尼抗震體系的轉(zhuǎn)變過(guò)程。通過(guò)Midas Civil模型計(jì)算得到罕遇地震下主塔支座銷(xiāo)釘剪斷時(shí)間為8 s，并以銷(xiāo)釘剪斷瞬間作為該工況下結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力，在該初始內(nèi)力下進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換后的地震效應(yīng)及減隔震分析。

3) 支承體系轉(zhuǎn)換后，通過(guò)時(shí)程分析得出大橋2#、3#主塔塔底彎矩時(shí)程數(shù)據(jù)，并與主塔屈服彎矩對(duì)比，結(jié)果表明在阻尼抗震體系下主塔處于彈性工作狀態(tài)，主塔滿(mǎn)足罕遇地震下抗震要求。