高速鐵路大跨連續梁橋減隔震方案討論*

馮亞成

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

0 引言

近年來世界范圍內地震頻發，強震對結構物造成了嚴重的損壞 (王克海，2007;葉愛君，2011;夏修身，陳興沖，2011)。橋梁作為生命線工程，其抗震設計受到越來越多的重視。相對普速鐵路橋梁，高速鐵路橋梁行車要求具有更高的平順性和穩定性 (鄭健，2008)，因此對結構基礎的剛度要求更大，而橋梁的良好抗震性能則要求結構具有較大的柔度。在一些高烈度區，常規跨度的簡支梁橋，仍可通過增加橋墩及樁基截面尺寸或增強配筋的做法來達到抗震設防的目的，并且將工程造價控制在可接受的范圍內。但對于大跨結構如連續梁等，本身上部結構質量很大，按照傳統的受力模式，地震時產生的水平慣性力幾乎全部由制動墩承擔，制動墩受力過大致使下部基礎數量龐大，工程造價成倍增加，且由于基礎增大，結構剛度會增大，地震力亦會進一步增大，從而使抗震設計陷入惡性循環。因此行車要求的大剛度與地震要求的良好柔度之間的矛盾，在客運專線等高速鐵路橋梁設計中尤為突出。

近年來減隔震的設計理念逐漸被引入到大跨橋梁的抗震設計中 (范立礎，王志強，2001)，由于采用減隔震裝置延長結構的周期或增加結構的阻尼 (彭天波等，2007)，將地面輸入到結構中的能量進行耗散或將結構與可能引起的地面運動分離開，減少了梁部傳遞給墩臺及基礎的地震力，大大減小了地震時橋梁結構的響應 (劉書賢等，2014)，使得設計更為經濟合理，結構安全性能更高，得到越來越多工程師的推崇。

本文結合鐵路橋梁自身特點，介紹了3種常用的減隔震技術，并以某客運專線鐵路一聯 (80+2×128+80)m連續梁的減隔震設計為例，計算分析了采用4種不同減隔震方案時結構的內力和位移響應，針對計算結果對4種減隔震方案的優缺點進行了評價，為鐵路大跨連續梁橋的減隔震設計和分析提供參考。

1 減隔震技術及方案

目前，橋梁工程中使用的減隔震技術主要分為兩類:一是采用阻尼器增加結構的阻尼來耗散能量，以減小結構的位移并提高橋墩的抗震性能;二是采用減隔震支座延長結構周期，從而減小地震反應。結合鐵路橋梁的特點，將3種可用于鐵路橋梁減隔震裝置的特點和應用介紹如下。

自開播以來，《香蜜沉沉燼如霜》這部本不被看好的仙俠劇頻上熱搜，楊紫在劇中扮演的錦覓：精致的巴掌臉，粉嘟嘟的嘴唇，纖細柔軟的身材……這還是那個土肥圓的傻妞嗎？從骨子里透著一股土氣的“小雪”逆襲成仙俠劇古裝女神，楊紫的變美秘籍是什么？

根據場地安評報告提供的3條罕遇地震下的人工地震波，50年超越概率2%的最大地震動峰值加速度達0.6 g，將地震波輸入到計算模型中，采用時程分析法計算結構在各種減隔震方案下的響應(圖5)。

1.1 液體黏滯阻尼器

液體粘滯阻尼器是一種類似車輛減震器的活塞筒狀裝置，其裝置內填硅油，在活塞的往復運動中液體硅油起粘滯作用，耗散地震能量，對結構起到耗能、減震控制作用 (陳永祁，2012)。這種內置硅油的速度型阻尼器，性能相對可靠穩定，并已經發展成從規范、設計規程到分析計算程序、產品檢驗的完整體系 (UNI EN 15129—2009)。

粘滯阻尼器一般由活塞、油缸及節流孔組成，是利用活塞前后壓力使油流過節流孔產生阻尼力的一種減震裝置。目前常用的基于Maxwell模型粘滯阻尼器的力學特性一般關系可表達為

研究組患者的治療有效率顯著高于對照組，兩組患者的并發癥出現率比較，差異無統計學意義（P＞0.05），見表1。

1.3效果評判:顯效:臨床中患者的癥狀完全消失,患者的心功能有顯著的改善,血氣指標正常;有效:患者的體征改善明顯,心功能改善1級,血氣指標改善;無效:患者的癥狀沒有改善或者更加嚴重。

式中，F為阻尼力;C為阻尼系數;V為阻尼器沖程速度;α為阻尼指數，其值范圍在0.1～2.0，從抗震角度看，常用值一般在0.2～1.0。

液體粘滯阻尼器自發明以來，經歷了幾次技術革新，目前已較為成熟，滿足工程需要的各種不同參數的阻尼器在國內外的重點橋梁工程中發揮著重要作用 (表1)。

表1 阻尼器在國內外應用的部分實例Tab.1 Parts of application examples of liquid viscous damper at home and abroad

當地震發生且水平橫向力超過預定值時，限位裝置的抗剪銷和安全螺釘被剪斷，支座的橫向限位約束被解除，大半徑球面摩擦副橫向即可自由滑動，其平面尺寸主要由最大設計位移控制。該支座利用簡單的鐘擺機理延長了橋梁的自振周期，從而降低加速度反應;地震過后，結構自重又可形成恢復力，幫助橋梁上部結構回到原來的位置。通過調整支座轉動半徑可得到不同的減震效果，增加支座轉動半徑，減震效果增強，但同時也會增大支座的水平位移。

1.2 雙曲面減隔震支座

通過上面數據和圖表的對比分析，將各方案對大跨連續梁橋減隔震的控制效果列表如下，綜合考慮各種因素，在 (80+2×128+80)m連續梁的抗震設計中，方案3減隔震原理明確，實施效果好，且該方案減隔震裝置性能穩定，可針對方案3橫向位移過大的問題繼續開展研究，采用適當構造措施如使用防落梁裝置限制橫向位移或調整阻尼器設置角度來解決，建議將方案3作為該橋減隔震設計的推薦方案。

由于王家會站歷年實測流量平均水深相對較小，河槽沖淤變幅最大為0.6 m，超過大部分實測流量平均水深的30%，故水位代表性較差，依據《河流流量測驗規范》（GB50179-2015）4.4.3條之規定，采用1992—2016年實測流量系列，按照流量進行劃分。

粘滯阻尼器產生的阻尼力與速度和溫度有關，在應用這類阻尼器時應予以注意。此外，油壓的調整、漏油、灰塵的侵入等也需采取相應的措施，并進行必要的維護。由于粘滯阻尼器具有方向性，在其安裝設置時需考慮，而且制作加工精度要求高，較大體積的粘滯阻尼器制作、安裝較為困難。

雙曲面球型減隔震支座系列產品已經在蘇通長江大橋、上海崇明越江通道長江大橋、福廈鐵路烏龍江特大橋、佛山平勝大橋、荊岳長江大橋等大型橋梁工程中投入應用。

初始狀態時，納米氧化硅和納米氧化鈣顆粒填充在膨潤土顆粒之間；吸濕初期，納米氧化鈣溶于水，而納米氧化硅顆粒不溶于水，一部分填充在蒙脫石顆粒之間，一部分進入蒙脫石晶層，且納米氧化硅顆粒吸附水膜，增大了混合物吸附水的能力。吸水飽和后，水化后的納米氧化鈣、納米氧化硅與黏土礦物發生反應，生成了穩定的膠凝物質團(顆)粒，團(顆)粒之間的離子交換作用會抑制膨潤土的膨脹。納米氧化硅在混合物中起到充填作用。

1.3 鉛芯阻尼器

鉛芯阻尼器充分利用鉛具有密度大、熔點低、塑性高、強度低、潤滑能力強等特點，同時由于鉛具有較高的延性和柔性，在變形過程中可以吸收大量的能量，并且具有較強的變形跟蹤能力，通過動態恢復和再結晶過程，其組織和性能還可恢復至變形前的狀態 (周云等，1999)。因此鉛芯阻尼器具有以下優點:(1)使用壽命不受限制;(2)提供的阻尼力可靠;(3)對位移變化敏感;(4)構造簡單，工作中不需維護。但它具有恢復性差和易對環境造成污染等缺點。

中鐵第一勘察設計院集團有限公司減隔震攻關小組利用“支座功能分離”的設計理念，已成功開發了簡支梁上使用的減震榫裝置 (李承根，高日，2009)。在此基礎上，沿用“支座功能分離”的設計理念，采用球型鋼支座提供豎向支撐，將鉛芯橡膠支座改造成為疊層鋼環內裝鉛芯的構造裝置，此裝置水平向利用鋼環的水平間隙發生大的變形來滿足地震時的位移需要，同時裝置內的鉛芯發生重結晶耗散地震能量。初步的試驗結論表明該裝置具有較大的耗能能力。

(1)信息技術安全弱。技術風險是互聯網金融相比傳統金融尤為突出的一種風險。由于其載體是互聯網，因此本身在互聯網行業就十分顯著的技術風險便傳導至互聯網金融理財領域。互聯網金融企業的用戶信息全部存放在互聯網平臺上，安全極難得到保障，一旦被黑客攻破，數據信息便可被任意修改或刪除，從而造成無法估量的損失。造成互聯網金融技術風險的主要原因是互聯網金融平臺由于資金短缺，無法做到設備的物理隔離、數據信息的備份和不同機房間的無縫切換。

1.4 4種減隔震方案

根據幾種減隔震裝置的特點介紹，結合 (80+2×128+80)m連續梁橋的結構構造、受力和場地特點，制定了4種減隔震方案:(1)縱向設置粘滯阻尼器;(2)采用雙曲面球型減隔震支座;(3)縱向設置粘滯阻尼器+雙曲面支座方案;(4)鉛芯阻尼器方案。在優化各方案減隔震裝置參數的基礎上，分別采用4種方案對該鐵路連續梁橋進行動力仿真模擬，提取計算結果對各方案進行綜合評價分析。

隨著國際旅游者行為研究的不斷深入，國內相關研究的視角選擇也更加開放化、多元化、國際化。學者們多從社會學、人類學、倫理學的學科大背景切入，從倫理道德、后現代、人地關系等微觀視角出發，發現旅游現象背后隱藏的深層次內涵，不斷拓展對旅游現象的多元化認識。

2 動力計算模型

2.1 分析模型

本文以某高速鐵路一聯 (80+2×128+80)m連續梁為例，橋址位于地震動峰值加速度0.3 g的高烈度地震區，場地特征周期T g=0.55 s，上部結構梁體重達28 000 t。該橋具有跨度大、上部結構質量重、場地地震烈度高3個明顯特點。全橋采用三維空間梁單元模型，阻尼器采用基于Maxwell模型的滯后系統進行模擬，雙曲面減隔震支座采用摩擦擺及間隙和鉤單元模擬，有限元模型如圖4所示。

2.2 地震動輸入

建議對業績較好，已經有一定影響力和市場信譽度的科研眾包平臺，通過認定的方式授予平臺相關資質，允許一些財政資助的科研項目或科研項目的子課題在平臺上發包，或是由財政資助的科研項目產生的科技成果在平臺上實施轉化。一方面可以讓財政資助的科研項目找到最佳的接包方，實現科技資源的最優配置；另一方面，通過適當的行政手段，可以幫助科研眾包平臺樹立平臺的公信力和影響力，進而打造出具有高認可度的科研眾包品牌。

3 4種方案分析比較

將上述4種減隔震方案的計算結果按照縱橋向和橫橋向分別進行對比分析，評價各種方案對墩身內力及結構位移的減隔震效果。

如圖12和表7所示，對于1# 錨鏈力，工況4下其錨鏈力響應大小范圍為809～1 170 kN，且出現較大的起伏波動，平均錨鏈力相當于工況1下增加了7.36%。工況4、工況5和工況6下，2# 錨鏈響應變化較小，平均錨鏈力為145 kN。工況4下，達到最大值193 kN。1# 艙室破損對3# 錨鏈力影響明顯，如圖12-(c)所示，3# 錨鏈最大張力值達到了1 180 kN，相較于工況1(正常組)最大錨鏈力，增幅達到了21.9%。

3.1 縱橋向地震響應

針對墩頂的縱向水平力、墩底彎矩進行對比分析，對比結果見圖6、7。

由圖6a可以看出，就各墩墩頂水平力的大小和分布而言，采用方案2即采用雙曲面球型減隔震方案效果最佳，不僅各墩的水平力分配較為均勻，而且各墩墩頂水平力也是這4種方案中相對最小的;方案1與方案3兩種方案的效果基本相當;方案4采用鉛芯阻尼的效果的位于方案2與方案1、3之間。從減震的效果來看，4種方案的減震效果均較為理想，均可以將次主墩、主墩的墩頂縱向水平力控制在23 000 kN以內，可將過渡墩的墩頂縱向水平力控制在13 000 kN內。由圖6b可以看出，除1號墩的彎矩比其它幾種方案大外，方案2其余橋墩縱向彎矩均比其余方案小。4號墩幾種方案的彎矩均比較接近，相差最大的為2、3號墩，采用阻尼器+雙曲面的方案時，2、3號墩墩底彎矩比單獨采用阻尼器或單獨采用雙曲面支座的都大，說明結構設計中減隔震措施要設置適當。一個結構中同一部位的減隔震措施并不是越多越好，還涉及到各減隔震措施之間能否協同工作，需慎重考慮。

3.2 橫橋向地震響應

圖6c給出了不同方案下橋墩墩頂橫向水平力的對比，由于方案1僅在縱橋向設置阻尼器，因此橫橋向的墩頂水平力與未采用減隔震方案的相同。可以看出由于采用了雙曲面球型減隔震支座，延長了結構周期，方案2和方案3實施后墩頂橫向水平力得到很大幅度的降低，方案4由于鉛芯的高耗能能力，也使墩頂水平力降低很大;且采用方案2、3、4后，各墩橫向受力較未采用減隔震方案前更為均勻。圖6d得到的墩底橫橋向彎矩圖與圖8的變化趨勢一致。

3.3 結構位移響應

圖7給出了4種方案下和未采用減隔震方案前 (80+2×128+80)m連續梁順橋向、橫橋向位移的對比圖。分析時考慮到結構構造及梁縫的設置，認為縱向位移宜控制在30 cm以內，否則可能使梁體發生碰撞損傷或相鄰孔發生落梁危害。由圖7可以清楚看到，無減隔震方案下，縱橫向位移均較小，但橋墩和基礎受力最大，橋墩可能發生倒塌破壞;采用方案1縱向位移可以得到保證，橫向位移較小的原因是由于橫向約束未放開的緣故，是以橋墩橫向承受很大地震力為代價的;采用方案2即雙曲面支座，周期延長，地震力減小，支座發生大位移，縱、橫向位移均較大，無法保證結構的合理性;方案3在雙曲面支座基礎上縱向設置阻尼器，控制了縱向位移，但橫向位移仍過大;方案4采用鉛芯阻尼的方案對縱、橫向位移控制相比其他方案是4種方案中最好的。

雙曲面球型減隔震支座是在球型支座基礎上，用大半徑球面摩擦副代替平面摩擦副，并設置抗剪裝置而形成的一種新型支座 (圖2)，彭天波等(2007)對其進行了深入的理論分析和試驗研究。雙曲面球型減隔震支座的減隔震原理與FPS減隔震支座相同 (焦馳宇等，2007)，均為摩擦鐘擺原理。雙曲面球型減隔震支座在地震不發生的情況下，其功能與普通球型支座一致，可滿足橋梁的正常運行。

表2 不同方案下減震效果的比較Tab.2 Comparison of seismic mitigation effects for different schemes

4 結論

針對高烈度地震區客運專線等高速鐵路大跨連續梁橋的抗震設防遇到的設計難題，采用減隔震設計思想，將液體粘滯阻尼器、雙曲面球型減隔震支座及鉛芯阻尼器等方法綜合運用于某高速鐵路大跨連續梁橋中，通過計算分析得出以下主要結論:

(1)橋梁主梁與墩臺之間設置液體粘滯阻尼器，可以有效的減小縱橋向的地震響應，控制縱橋向梁體位移;也可在設計時結合墩頂與梁體的空間位置，縱橫兩個方向一起設置阻尼器同時改善橋梁兩個方向的受力。

(2)雙曲面球型減隔震支座具有性能穩定、位移可自恢復等優點，且能同時改善橋梁兩個方向的受力，在高烈度地震區大跨橋梁的減隔震設計中有廣闊的應用前景，但同時存在位移過大的問題，應采取相應措施予以解決，如可通過縱橋向加阻尼器、橫橋向設防落梁等措施限制位移。

(3)鉛芯阻尼器充分發揮了鉛的高耗能和重結晶的特性，具有很大的耗能能力，發展潛力巨大，但目前正處于試驗階段，可繼續深化研究。

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