高鐵隔震橋梁縱向限位裝置的研究

簡　濤　楊小虎（廣州大學土木工程學院）

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高鐵隔震橋梁縱向限位裝置的研究

簡濤楊小虎
（廣州大學土木工程學院）

【摘要】地震發生后，橋梁有可能發生落梁，對當地的交通運輸和災后重建造成重大的不利影響。為限制橋梁的縱向位移，防止落梁的發生，在摩擦擺隔震支座橋梁縱橋向加拉索限位裝置。采用IDA非線性時程分析方法，對隔震橋梁加拉索限位前后橋面的位移進行對比，并對隔震支座的滯回曲線、墩頂位移、墩頂剪力和彎矩等參數進行對比，得出：拉索縱向限位可以有效降低橋面在大震作用下的位移，同時對橋墩的抗震性能有一定影響，但通過拉索初始間隙的合理設置可以減輕對墩柱的影響。

【關鍵詞】限位裝置；摩擦擺支座；縱橋向；隔震橋梁

1　引言

近年來，我國高速鐵路橋梁、近海大橋等日益增多，為地區的交通運輸和經濟發展提供了重要保證。我國是一個多發地震的國家，地震發生后橋梁的破壞會導致交通中斷，嚴重影響救災的開展和災后的恢復重建。隨著對隔震技術的重視，隔震橋梁得到了推廣和應用。隔震支座可以吸收地震能量、減輕地震對橋梁的損害。但是，在大震及超大震作用下會發生落梁的危險。對橋梁增加限位裝置尤為重要。

目前，國內外對限位裝置的研究主要集中在普通橋梁，對高速鐵路隔震橋梁的地震反應研究還不多，并且我國現行橋梁規范［1］僅把限位裝置作為一種構造措施，沒有要求對其進行受力分析。通過大量的橋梁震害總結發現，限位裝置破壞的現象非常普遍［2］。在地震作用下，橋梁結構因限位裝置的參與改變了橋梁體系受力狀態，使橋梁下部結構內力分布和位移發生變化，因此，限位裝置僅作為構造措施是不合理的［3］。關于限位裝置在橋梁上的作用，已有部分學者作出研究。陳志剛等［4］研究了拉索減震支座對鋼構橋橫向抗震性能的影響，研究了拉索間隙和拉索剛度對橋梁抗震性能的影響。得出：拉索減震支座對主墩抗震性能的影響較小；初始間隙越小、拉索剛度越大，拉索減震支座對主梁的約束作用越大。龔偉等［5］從提高縱橋向抗震性能的角度出發，研究拉索減震支座和液體粘滯阻尼器對剛構橋縱向抗震性能的影響，定性分析了兩種裝置對兩端位移有減小的效果，但會明顯增大過渡墩的地震內力。

本文通過對一座高鐵隔震橋梁進行動力時程分析，研究縱向限位裝置對橋面位移的影響，并分析對橋梁墩柱抗震性能的影響。

2　橋梁模型

本文的模型為某高鐵簡支橋梁，橋梁共25跨，為簡化計算，取橋梁的6跨（6×32m）進行分析。墩度23.5m，橋面為C50箱型截面，采用彈性梁單元，橋墩為C30圓端型截面，采用Mander本構，鋼筋為HRB335，采用雙線性本構。橋梁所在場地特征周期為0.45s，設防烈度為8度，場地加速度0.3g。

采用有限元軟件SAP2000進行分析，摩擦擺支座采用FPB單元模擬，在SAP2000可以直接定義混凝土的Mander本構，考慮無約束混凝土、約束混凝土，并使用纖維截面劃分鋼筋混凝土單元。依據縱筋間距、直徑及箍筋數量、直徑、間距，按照等量原則估算約束混凝土的提高作用。計算模型如圖1。縱向限位裝置選用拉索，剛度取為50000N/mm，間隙為50mm。拉索恢復力模型和抗震設計如圖2和圖3所示。

圖1　SAP2000橋梁模型

圖2　拉索恢復力模型

圖3　拉索抗震設計

為了詳細計算添加拉索縱向限位裝置對橋面縱向位移的影響，采用IDA的方法，對隔震橋梁進行非線性時程分析。計算時選取七條天然地震波，沿橋梁縱向輸入。加速度峰值從0.2g增加到0.6g，增幅為0.1g，統計時程分析結果。

3　計算結果

表1　限位裝置加與未加橋面位移對比

圖4　隔震支座滯回曲線對比

圖5　墩頂位移對比

圖6　墩底剪力對比

圖7　墩底彎矩對比

分別對加縱向限位裝置與未加限位裝置的隔震橋梁模型進行35次時程分析，統計中墩橋面的相對位移，并計算限位后相對于無限位減少的百分比（限位率），結果如表1所示。由表1結果可知：隨著地震動峰值的增加，限位效果越明顯。在地震動較小時，幾乎沒有效果；地震動增大后，可以發揮拉索的限位作用。由表中數值可知，無限位時橋面相對于墩柱的最大位移為216mm，限位后為116mm，限位率46%。在大震及超大震作用下縱向限位裝置可以有效降低橋面的位移，從而減輕落梁的危險。

雖然限位裝置對橋面的位移有很好地限制作用，但也需考慮限位后對墩柱抗震性能的影響。限于篇幅只繪出天津波峰值加速度為0.4g時，限位前后隔震支座支座滯回曲線、墩頂位移、墩底剪力和彎矩的變化情況，如圖4-圖7所示。由分析結果可知：隔震橋梁加上縱向限位后，由于拉索的作用限制橋面位移的同時支座的位移也受到限制，隔震支座的滯回曲線所包圍的面積越有減少，但減少并不大，說明隔震支座的耗能能力下降的并不明顯；由于拉索固定于墩柱之上，限位后墩頂的位移也有所增大；墩底的剪力和彎矩限位前后基本相同，說明由于限位裝置的作用對墩底增加的損害可以忽略不計。

4　結論

⑴高鐵隔震橋梁增加縱向限位裝置拉索后，可以有效降低在大震及超大震作用下橋面的位移，防止落梁的發生。

⑵拉索初始間隙設置為50mm，可以在地震動較大時限值橋面的位移，同時對隔震支座的耗能能力影響不大，對墩頂位移略有不利影響，墩底彎矩和剪力基本不變。說明拉索在有效保護橋面防落梁的同時，對墩柱的影響較小。●

【參考文獻】

［1］橋梁抗震設計細則［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］王巖，王軍文，秦洪果，等.橋梁抗震擋塊研究進展［J］.世界地震工程，2013，29（S2）：90-96.

［3］朱文正.徐忠根隔震橋梁橫橋向擋塊設計研究［J］.土木工程與管理學報，2011，28（3）：407-411.

［4］陳志剛，趙英策.采用拉索減震支座的剛構橋橫向抗震性能研究［J］.橋梁建設，2014，2（44）：38-42.

［5］龔緯，燕斌.基于減隔震裝置的剛構橋地震效應控制方法［J］.城市道橋與防洪，2014，3（3）：61-70.