九度地震區近斷層高速鐵路簡支梁橋新型減震榫結構設計及減震性能研究

陳長征，戶東陽，李聰林，李沖杰，盧三平

(中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，昆明 650200)

近年來，我國高速鐵路迅猛發展，在西南地區也得到了快速發展。在高速鐵路建設中，往往“以橋帶路”，使橋梁占線路總長度的比例越來越大[1-6]。高速鐵路的高速性及平穩性要求，往往使高速鐵路橋梁整體剛度比較大[7-12]。由于我國是一個地震多發國家， 在地震作用下，尤其是在九度地震區，地震烈度極高，使剛度較大的橋梁地震響應更為強烈，近斷層范圍內易使墩梁發生較大的相對位移，為保證高速鐵路橋梁的安全性，需進行減隔震設計[13-17]，同時，對于九度地震區還需考慮豎向地震作用，防止梁體豎向跳梁[18]。因此，對于九度地震區高速鐵路橋梁進行抗震設計研究是非常必要的。本文將基于某九度地震區近斷層高速鐵路橋梁工程，提出一種新型減震榫適用于九度地震區近斷層高速鐵路簡支梁橋[19-20]，對減震榫進行結構設計及其減震性能研究。

1 簡支梁橋減隔震方案比選

某高速鐵路工程，有22.7 km橋梁位于九度地震區，且5次跨越了小江活動斷裂帶；此段地震動峰值加速度為0.40g，反應譜特征周期0.45 s，抗震設計中需考慮水平向地震作用及豎向地震作用；近斷層范圍內主梁易發生較大位移，需對位移進行控制。本工程上部結構簡支梁采用32 m跨度，采用通用參考圖《時速350 km高速鐵路預制無砟軌道32 m后張法預應力混凝土簡支箱梁》，對應圖號為通橋(2016)2322A-Ⅱ-1。支座采用雙曲面摩擦擺支座，其摩擦系數0.06，等效半徑2.6 m，豎向承載力5 500 kN。下部結構橋墩(20 m墩高為例)采用C35混凝土，橋墩構造見圖1。

圖1 墩高20 m橋墩構造(單位：cm)

本文僅以10，20，30 m墩高為研究對象，通過初步采用摩擦擺支座進行地震時程分析，得出支座在設計地震及罕遇地震作用下位移，結果見表1。

表1 摩擦擺支座工況位移計算結果 m

罕遇地震下，支座位移(即墩梁相對位移)最大值已接近550 mm，即使設防到設計地震，震后位移依然接近300 mm，這在簡支梁橋中是難以實現的，必須采取額外的減震耗能或限位措施，進行方案比選，選擇最優方案。

考慮鐵路簡支梁空間小、造價低的特點，黏滯阻尼器和速度鎖定器成本高、安裝復雜，不宜在簡支梁中使用，本文按表2選取5種方案作為對比措施，同時，結合鐵路防落梁功能需求，各方案中均布置防落梁擋塊。

表2 減隔震措施方案

為方便表述，本文僅列出20 m墩高計算結果，計算結果指標如表3所示。

由表3可知，只有方案5才能滿足各項指標要求。最終確定九度地震區高速鐵路簡支梁橋減隔震方案為雙曲面支座+減震榫+防落梁裝置。

2 減震榫結構設計

2.1 減震榫設計原理

減震榫與雙曲面支座組合使用，即構成了具有減隔震功能的支座系統，見圖2。減震榫桿采用圓形截面，分為過渡段AB和核心耗能段BC，AB段的截面直徑呈線性變化，BC段的截面直徑變化滿足等強度設計要求，為保證減震榫表面狀態的圓滑，AB段與BC段在B點相切；連接底板通過高強螺栓與墩頂固結，可設置為圓形或方形。地震發生時，減震榫隨梁體位移而發生變形，從而產生彎曲塑性變形耗能。

圖2 減震榫-雙曲面支座系統

減震榫-雙曲面支座與傳統支座相比，特點在于其實現了支座的水平力傳遞與豎向支承功能的完全分離。梁體傳來的豎向反力仍由支座承擔，而梁體的水平反力及水平位移則由減震榫支承和控制。可以看出，減震榫與以往在橋梁支座處使用的金屬阻尼器的不同之處在于，其并不是作為一個附加裝置提供額外的剛度和阻尼，而是承擔著梁體水平荷載的重要構件，在整個支座系統中起著至關重要的作用。減震榫一方面須在正常運營下滿足列車對橋梁剛度的使用要求，另一方面又要在強震下能夠產生足夠的延性變形，達到降低地震力的目的。

為給減震榫的結構設計提供參考，對其核心性能參數進行理論估算公式的推導。減震榫受力特征與懸臂梁類似，忽略榫頭的影響，確定減震榫的計算簡圖如圖3所示。圖3中，μ為減震榫上、下兩端的相對水平位移，即減震榫的側移量；F為水平力；M為彎矩。

圖3 減震榫計算簡圖

若使核心耗能段BC同時發生屈服，則

d(y)=ay1/3

(1)

式中，d(y)為截面直徑；a為截面常數。以do、L1和L三個參數表示的減震榫截面直徑變化為

(2)

根據虛功原理可計算出力F作用下

(3)

故減震榫彈性剛度的理論公式為

(4)

fy為鋼材的屈服強度，由力的平衡條件可求得減震榫彈性極限荷載為

(5)

則彈性極限位移為

(6)

令彈性極限點與屈服點之間的關系為

Fy=γFe，μy=γue

(7)

式中，γ為換算系數，顯而易見γ>1，其經驗取值需由試驗研究及有限元分析確定。在進行減震榫設計時，按式(2)確定減震榫的截面變化，并通過調整減震榫do、L1和L3個基本參數來達到預期的力學性能。

2.2 減震榫結構設計

圖4 減震榫結構示意(單位：cm)

根據工程特點及減震榫設計原理，設計了一款適用于九度地震區近斷層高速鐵路簡支梁橋的新型減震榫，該新型減震榫具有三向抗拉及耗能功能，與雙曲面支座共同組成減隔震系統。該新型減震榫主要有減震榫桿、梁底傳力裝置及墩臺錨固裝置組成，如圖4所示，減震榫桿由低屈服強度軟鋼制作而成。傳力套筒為分半結構，內部設置有球型腔體，頂部和下部為貫通結構，下部通孔出口處設置有倒圓及倒角結構，內部設置阻尼減震塊及轉動副。最終裝配時，分半式傳力套筒通過連接螺栓與減震榫形成一體。傳力套筒內腔與減震榫榫頭的縱、橫橋向間隙均為20 mm。

當水平地震來臨時，套筒在水平方向首先行進20 mm的空行程，然后與減震榫榫頭接觸，帶動減震榫進行水平滯回耗能。豎向地震來臨時，傳力套筒受豎向荷載，套筒底部與減震榫頭底部接觸，實現豎向抗拉功能。本次研究中，每個支座對應1個減震榫，為保證在正常使用工況下，滿足升降溫梁體變形需求，在榫體頂部縱橫向需要設置一定的間隙，本次研究的間隙為0～4 cm。單個減震榫的力學參數如表4所示。

表4 單個減震榫的力學參數

3 減震榫有限元建立

減震榫模型利用ANSYS有限元仿真分析軟件進行建立，在進行網格劃分時，考慮模型計算的收斂性，建模時忽略連接螺栓。減震榫的材料采用理想彈塑性材料，E=206 GPa，屈服強度230 MPa，泊松比0.3。傳力套筒的材料為彈性鋼材，E=210 GPa，泊松比0.3。由于緩沖橡膠墊圈材質較軟，對結構力學性能影響較小，故在分析時忽略緩沖橡膠墊圈。網格采用四面體單元，單元類型為C3D4，網格控制尺寸為20 mm，共有10 351個節點，41 892個單元，網格模型如圖5示。

圖5 減震榫有限元模型

4 減震榫有限元分析

4.1 水平滯回性能分析

結構在極限位移時的應力云圖及位移云圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 水平位移極限時的應力云圖(單位：MPa)

圖7 水平位移極限時的位移云圖(單位：mm)

由圖6可知，結構最大應力值為633 MPa，最大應力出現在套筒底部與榫頭接觸的部位，此處應力值較大是因為套筒內部與減震榫頭的擠壓導致，雖然應力值較大，但是區域很小，對結構強度影響較小。

由圖7可知，減震榫桿變形均勻，且減震榫頭與套筒在運動關系上未發生干涉現象。

減震榫的應力云圖如圖8所示。減震榫在200 mm位移處，榫桿截面基本全部屈服，榫頭處個別接觸點位置發生了局部屈服。

圖 8 減震榫應力云圖 (單位：MPa)

傳力套筒的應力云圖和位移云圖分別如圖9、圖10所示。由位移云圖可知，套筒相對位移為0.001 mm，套筒變形較小，剛度滿足要求。由應力云圖可知，最大應力為633 MPa，雖然應力值較大，但是區域很小，對結構強度影響較小。

圖9 傳力套筒應力云圖 (單位：MPa)

圖10 傳力套筒位移云圖 (單位：mm)

減震榫在200 mm位移處的反力最大，最大反力為627.8 kN。連接螺栓規格為M39，因此連接螺栓的剪應力及拉應力均為491.3 MPa，未達到破壞應力值，滿足使用要求。由圖11可以看出，減震榫滯回曲線飽滿、穩定，減震榫耗能效果良好。

圖11 減震榫滯回曲線

4.2 豎向抗拉性能分析

九度地震區地震作用下，為防止梁體豎向跳梁引起的落梁風險，按規范要求，須做豎向抗拉措施。

按支座豎向承載力的15%，即825 kN進行豎向抗拉驗算。結構的應力云圖和位移云圖分別如圖12、圖13所示。

圖12 豎向拉應力下結構應力云圖 (單位：MPa)

圖13 豎向拉應力下結構位移云圖 (單位：mm)

由應力及位移云圖可知，結構最大應力為114.8 MPa，最大應力出現在套筒上與減震榫頭接觸的部位，結構最大位移為0.29 mm。結構的強度及剛度均滿足要求。

減震榫桿的應力及位移云圖分別如圖14、圖15所示。減震榫最大應力為100.3 MPa，最大應力位置出現在榫頭與桿身的交接部位。減震榫最大位移為0.19 mm。減震榫強度及剛度滿足要求。

圖14 豎向拉應力下減震榫桿應力云圖 (單位：MPa)

圖15 豎向拉應力下減震榫桿位移云圖 (單位：mm)

傳力套筒的應力及位移云圖分別如圖16、圖17所示。傳力套筒最大應力為114.8 MPa，最大應力出現在與減震榫頭接觸的部位，同時也是結構中最大應力位置處。傳力套筒最大相對位移為0.67 mm。傳力套筒強度及剛度滿足要求。

圖16 豎向拉應力下傳力套筒應力云圖 (單位：MPa)

圖17 豎向拉應力下傳力套筒位移云圖 (單位：mm)

5 結論

(1)在九度地震區近斷層范圍內，單獨使用雙曲面支座不滿足規范要求，需采取額外的減震耗能或限位措施。

(2)減震榫在水平極限位移時，結構最大應力值為633 MPa，減震榫桿變形均勻，且減震榫頭與套筒在運動關系上未發生干涉現象，減震榫滯回曲線飽滿、穩定，減震榫耗能效果良好。

(3)減震榫在豎向拉力作用下，最大應力為114.8 MPa，結構最大位移為0.29 mm，結構強度及剛度均滿足要求。

(4)該新型減震榫與黏滯阻尼器相比結構簡單、價格低廉、性能可靠，為橋梁下部結構優化設計提供依據，并產生很好的經濟效益和社會效益。