長聯大跨連續梁橋減隔震設計方案比選

李 俠

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

近年，鐵路跨越較大河流及道路等復雜地形，往往依據通航、防洪、立交等多方面要求采用多跨連續梁橋的結構形式，該類型結構為避免由于約束混凝土收縮徐變和溫度變形而產生過大的附加應力，通常在縱橋向只設一個固定支座;而在縱向地震力作用下，固定墩幾乎承受了全聯所有縱向地震力，且鐵路橋梁墩身剛度大，地震作用下很難進入塑性狀態，因此選擇合適的抗震設計方案至關重要[1]。減隔震設計是橋梁抗震設計的新思路，它通過采用減隔震裝置來盡可能地將結構或部件與可能引起破壞的地震地面運動或支座運動分離開來，大大減少傳遞到上部結構的地震力和能量[2]。本文以抗震設防烈度Ⅶ度的鐵路橋(65+5×108+65)m連續梁橋為研究對象，分析研究了幾種減隔震方案應用于實際橋梁結構的減隔震效果，并對幾種方案進行了對比分析。

1 工程背景

該橋為一單線(65+5×108+65)m鐵路橋梁，聯橋長669.5 m。主梁為預應力混凝土箱梁，采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，中支點梁高8.4 m，跨中及邊跨現澆段梁高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圓端形實體橋墩，16根φ180 cm樁基;活動墩采用4.4 m×6.5 m圓端形實體橋墩，16根φ150 cm樁基;邊墩采用3.0 m×5.5 m圓端形實體橋墩，9根φ150 cm樁基。地質條件為:地面至14 m范圍內為粉砂層，其下全部為粉質黏土層。橋址處地震動峰值加速度0.15g，地震動反應譜特征周期Tg=0.40 s，特征分區為一區，場地類別為Ⅲ類。

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程曲線，要滿足地震動的三要素，即頻譜特性、有效峰值和持續時間均要符合規定[3]。本文選取1940，El Centro Site天然地震波為計算輸入波，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、橋墩均采用空間梁單元模擬，樁基和土的相互作用根據文獻[5]采用承臺底六個自由度的彈簧剛度模擬樁土相互作用，彈簧數值“m”根據文獻[6]確定，但是土的抗力取值比靜力大，一般m動=(2～3)m靜。分析中采用同時考慮質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摩擦擺支座，該支座是在普通球型支座的基礎上，用大半徑球面摩擦副取代平面摩擦副，并設置抗剪銷而形成的一種新型支座，構造示意如圖2所示[7]。當地震發生且水平力超過給定值時，抗剪銷被剪斷，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，從而地震產生的能量在動能和勢能之間反復轉換;同時，在滑移的過程中，摩擦阻力逐漸消耗地震能量。這樣，既延長了地震周期(達到減震的效果)，而且勢能又可形成恢復力，使支座復位。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造示意

圖3 雙曲面減隔震支座滯回曲線

圖3中，支座側向力F為恢復力和摩阻力之和

支座克服摩擦滑動后水平剛度(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為支座設計水平位移，μ為摩擦系數，R為滑動面的曲率半徑。

限于篇幅，經比選后，針對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耗能特性來增加結構的阻尼，減小結構的響應幅度，通過在幾個活動支座處配合使用黏滯阻尼器來實現結構減震。其實質是在基本抗震設計基礎之上進行等二道防線配置，應用較為普遍，有不少工程實例。計算模型中阻尼器用Maxwell模型來模擬。阻尼力與速度的關系表達式為

式中:f為阻尼力;sign為符號函數;v為相對速度;C為阻尼系數;α為速度指數。阻尼系數C的取值對阻尼力f的影響很大，速度指數α的取值直接決定阻尼器滯回曲線的形狀。速度指數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，其耗能能力越強，同時控制位移的能力也越強。本文模型中阻尼系數C=3 000，α=0.5，在每個活動墩兩側各設置2個阻尼器。

3.3 同時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在地震中解除縱向約束，在水平方向沿球面自由滑動將動能與勢能轉化來消耗地震能量，通常具有較大的位移，但減震效果較好;阻尼器則是通過增加結構阻尼減小結構響應幅度減震，但是對位移有較好的限制作用(通常在長大橋梁中應用較多)。通常減隔震裝置均單獨使用，共同使用的情形研究較少。作為一種嘗試，分析計算了同時采用兩種減隔震裝置共同作用的效果。

4 不同設計方案比選

4.1 有限元分析結果

根據計算模型及地震動輸入，采用非線性動力時程分析方法進行地震響應分析。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。分析時考慮5種減隔震方案工況。

工況1:作為計算結果的對比，按傳統抗震方式，不考慮減隔震裝置，計算中不考慮由于橋墩開裂剛度退化等因素。

工況2:僅在固定墩設置減隔震支座，其他橋墩設置普通活動支座。

工況3:在所有橋墩上設置減隔震支座。

工況4:在工況1基礎上，在主跨活動墩設置黏滯阻尼器，每處設置2個，每個橋墩共設置4個。

工況5:在工況2基礎上，在主跨活動墩設置黏滯阻尼器，每處設置2個，每個橋墩共設置4個。

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

圖4 不同工況下地震反應

1)采用黏滯阻尼器對結構自振周期幾乎無影響，這與黏滯阻尼器的減震實質是一致的;使用單個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結構的周期，若全橋均使用減隔震支座，結構周期延長44%。

2)采用減隔震支座對固定墩墩底彎矩均有明顯減震效果，對活動墩墩底彎矩均有增加;采用阻尼器裝置對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對活動墩墩底彎矩增加明顯，說明地震中由于阻尼器參與工作，活動墩與固定墩聯合參與受力，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。

3)工況2梁端位移最大，這是因為地震作用下由于活動墩在縱向的約束作用甚微，固定墩承受剪力過大，支座抗剪銷失效后沿支座球面自由滑動消耗地震能量。同時由于活動墩對縱向無限位作用，上部結構質量過大，僅固定支座無法限制結構縱向位移，導致縱向位移已超過支座設計位移。設計中應增加其他防落梁限位措施。

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

4.2 方案比選結論

1)固定墩設置雙曲面減隔震支座能明顯減小橋墩內力，多個橋墩設置減隔震支座效果要優于僅在固定墩頂設置減隔震支座。

2)僅固定墩設置減隔震支座，一旦限位銷剪斷會產生一定的屈后位移，設計中需要考慮其他抗震限位措施和構造細節以滿足工程實用要求。當然，這在一定程度上增加了造價。

3)單獨采用阻尼器能很好地控制結構位移，且能將固定墩內力減小約50%左右，活動墩內力增加也在可控范圍內。

4)同時使用兩種減隔震裝置能更好地發揮減隔震作用，大幅減小橋墩內力，同時限制結構位移。

5 結語

傳統的結構抗震設計方法是依靠增加結構構件的尺寸、配筋從而提高結構自身的強度、變形能力來抗震的，盡管通過適當選擇塑性鉸的發生順序和細部延性設計，可以防止結構的倒塌，但結構構件的損傷不可避免。采用適當的減隔震措施能大大減少傳遞到上部結構的地震力和能量，提高結構的抗震性能。

采用阻尼器和雙曲面減隔震支座兩種組合減隔震措施后，能同時發揮兩種裝置的優點，大幅減小結構地震反應。但這兩種裝置的參數應合理選擇，二者是否能同步協調工作還有待研究。

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

[2]范立礎，王志強.橋梁減隔震設計[M].北京:人民交通出版社，2001.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50011—2010 建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[4]邁達斯技術有限公司.分析設計原理[Z].北京:邁達斯技術有限公司，2008.

[5]中華人民共和國交通運輸部.JTG/T B02-01—2008 公路橋梁抗震設計細則[S].北京:人民交通出版社，2008.

[6]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[7]彭天波，李建中，范立礎.雙曲面球型減隔震支座的開發及應用[J].同濟大學學報:自然科學版，2007(2):176-180.