高速鐵路鋼混連續梁橋彈性約束體系抗震性能研究

楊得旺

中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063

連續梁橋具有力學性能好、經濟性優、行車平順舒適等優點，是高速鐵路主跨100～200 m 橋梁的優選橋型。為避免大跨度梁橋設置鋼軌伸縮調節器，提出了鐵路橋梁彈性約束體系。該體系具有“高靜低動”的彈性連接特性，減小了溫度聯長度，延長了結構自振周期，提高了結構抗震性能。

高速鐵路大跨度連續梁橋多采用混凝土結構，剛度大，質量大，且常規連續約束體系單固定墩承擔縱向荷載，導致固定墩截面尺寸大，對結構抗震極為不利。地震動力響應與結構體系強相關，相關學者開展了大量的減隔震體系研究。顧海龍等［1］研究了長聯大跨度連續梁橋摩擦擺支座+速度鎖定器的減隔震體系，并開展了支座力學性能試驗；陳杰［2］、種博肖［3］針對多主跨高速鐵路連續梁橋研究了雙曲面球型減隔震支座+黏滯阻尼器的減隔震體系；許延祺［4］針對主跨60 m公路連續梁研究了限位索+摩擦擺盆式支座的減隔震體系；邵長江等［5］針對超高墩大跨度鐵路連續鋼桁梁橋研究了通過設置黏滯阻尼器提升結構縱向減震性能的方法；李曉波［6］分別對比研究了速度鎖定Lock?up 裝置、黏滯阻尼器和雙曲面球型支座的減隔震性能。

上述研究成果對連續梁橋抗震設計提供了技術支撐，尚無關于連續梁橋彈性約束體系抗震性能的研究。本文以一座高速鐵路大跨度鋼混連續梁橋為背景，對比分析彈性約束體系、連續約束體系橋梁的抗震性能，探究彈性約束體系對結構地震響應的影響。

1 工程概況

1.1 橋式方案

在建高速鐵路大跨度鋼-混連續梁橋立面布置見圖1，主橋跨徑為（80+160+80）m，兩側引橋采用32 m標準跨混凝土簡支梁。該橋為雙線鐵路橋，線間距5.0 m，設計活載為ZK活載，設計速度350 km/h。主橋平面位于直線上，縱斷面位于+4.8‰、-5.6‰縱坡上。如按常規連續約束體系設計，溫度聯長240.8 m。根據橋上軌道受力要求，需設置鋼軌伸縮調節器。因此，為避免設置鋼軌伸縮調節器，減少運營期間養護維修工作量，以該橋為工程背景提出了連續梁橋彈性約束體系，并對比分析彈性約束體系和連續約束體系橋梁的抗震性能。

圖1 主橋立面布置（單位：cm）

1.2 結構設計

主梁采用鋼混連續結構，中跨72 m 長范圍采用鋼混組合梁，其余部分采用混凝土梁。主梁截面采用變高度單箱單室截面，中支點梁高11.0 m，邊跨和中跨直線段梁高6.2 m。主梁橫斷面見圖2。

圖2 主梁橫斷面（單位：cm）

橋墩采用圓端形實體墩，1#、4#邊墩尺寸為7.5 m（高）× 3.6 m（縱向長）× 8.6 m（橫向寬）；2#、3#邊墩尺寸為14.5 m（高）× 5.8 m（縱向長）× 9.8 m（橫向寬）。基礎采用鉆孔摩擦樁，2#、3#主墩采用16 根?2.0 m 鉆孔樁，1#、4#邊墩采用10根?1.25 m鉆孔樁。

1.3 約束體系及參數選取

1.3.1 連續約束體系

連續約束體系支座布置見圖3。每個橋墩橫向設兩個球型支座，支座間距6.0 m，邊墩支座設計豎向承載力10 MN，中墩支座設計豎向承載力80 MN。1#、4#邊墩以及3#中墩設一個縱向活動、一個多向活動球型鋼支座，2#中墩設一個固定、一個橫向活動球型鋼支座。

圖3 連續約束體系支座布置（單位：cm）

1.3.2 彈性約束體系

彈性約束體系最早在大跨度斜拉橋塔梁約束中提出，塔梁彈性約束需兼顧結構靜動力受力性能，許多學者已開展了較廣泛的研究［7-10］。彈性約束裝置雖具有良好的減震性能，但其造價高、維護養修困難、構造復雜，未在中小跨度橋梁中推廣應用。彈性約束多功能支座集支承裝置、彈性約束裝置、縱向限位裝置于一體，具有“高靜低動”負剛度裝置的特性［11-12］，為連續梁橋提供了一種新型彈性約束體系。正常運營狀態下全橋支座最大靜摩阻力、彈性約束裝置使得結構體系獲得高剛度以滿足行車要求；地震作用下縱向水平力克服了最大靜摩阻力，彈性約束多功能支座降低了體系剛度，延長了橋梁自振周期。

彈性約束體系支座布置見圖4。1#、4#邊墩支座布置與連續約束體系相同，設計豎向承載力10 MN。2#、3#中墩各設兩個彈性約束多功能支座，豎向設計承載力80 MN，水平設計承載力8 MN。

圖4 彈性約束體系支座布置（單位：cm）

1）彈性剛度中墩彈性約束多功能支座彈性剛度計算值k計算為

式中：μ0為支座摩擦因數，一般取0.03；P為支座豎向設計承載力；α為線膨脹系數；L為連續梁橋中跨跨度。

設計彈性剛度k不宜大于計算值的10%，且不小于40 kN/mm。

按照上述計算原則，該橋支座彈性剛度計算值為60 kN/mm。根據彈性約束裝置中碟簧組合形式，支座設計彈性剛度取60 kN/mm。

2）彈性位移中墩彈性約束多功能支座彈性位移計算值e計算為

式中：e0為溫度作用下支座處主梁位移；δ為位移富余量，一般取10～15 mm。

該橋按結構整體升降溫 ±25 ℃考慮，彈性位移計算值為34～39 mm，故支座設計彈性位移取35 mm。

2 動力特性分析

采用MIDAS/Civil建立空間有限元模型，主橋兩側各建立1 孔32 m 標準跨簡支梁，主梁、墩柱采用梁單元模擬，樁基礎采用等效承臺底剛度模擬。

常規活動球型支座的摩擦效應采用雙線性彈性連接模擬，力學模型見圖5（a）。彈性約束多功能支座的摩擦效應、彈性約束、縱向限位分別采用滯后非線性彈性支承、彈性連接、間隙單元模擬，力學模型見圖5（b）。其中，ab階段與常規活動球型支座類似，模擬支座啟動摩擦效應；bc階段為彈性約束階段，約束剛度即為支座設計彈性剛度；cd階段為縱向限位階段，支座位移達到設計彈性位移，限位擋塊承擔縱向水平荷載。

圖5 支座力學模型

對于常規活動球型支座，初始剛度k0為

式中：fmax為活動支座臨界滑動摩擦力；μ為支座滑動摩擦因數，取0.03；R為支座反力；x0為支座水平屈服位移，取3 mm。

對于彈性約束多功能支座，不同階段剛度分別為

不同階段縱向水平承載力分別為

式中：f'max為多功能支座臨界滑動力；k為設計彈性剛度，取60 kN/mm；x1為設計彈性位移，取35 mm；F0為縱向水平設計承載力，取8 MN。

連續約束體系、彈性約束體系前三階動力特性見表1。可知：與連續約束體系相比，彈性約束體系一階縱飄周期由1.286 s 延長至2.238 s，延長率74.0%；兩種約束體系橫向、豎向動力特性基本一致，即彈性約束體系僅影響縱向動力特性。

表1 兩種約束體系結構動力特性

3 抗震性能分析

3.1 地震設計參數

根據該橋工程場地地震安全性研究報告，橋址地質以黏性土、砂土為主，場地類別為Ⅱ類，地震烈度為Ⅵ度。工程場地地表處水平地震動參數見表2。可知，50 年超越概率10%（設計地震工況）、50 年超越概率2%（罕遇地震工況）下水平地震動峰值加速度分別為0.785、1.373 m/s2，地震反應譜特征周期分別為0.45、0.50 s。

表2 工程場地地表處水平地震動參數

根據地震加速度反應譜人工合成設計、罕遇地震加速度時程曲線，結構阻尼比取0.05，地震動時間取40 s，時間步長取0.02 s。設計地震、罕遇地震工況各選取三組時程曲線，豎向地震加速度取水平加速度的65%，其中一組水平加速度時程曲線見圖6。

圖6 水平加速度時程曲線

3.2 橋墩縱向剪力響應

地震作用下橋墩縱向剪力見圖7。可知，采用彈性約束體系后，2#墩設計、罕遇地震工況下橋墩縱向剪力減震率分別為61.26%、40.56%，而且各墩縱向剪力更均勻，顯著降低了連續約束體系固定墩地震響應，因此，可以進一步優化墩柱和基礎尺寸。

圖7 地震作用下橋墩縱向剪力

3.3 位移響應

3.3.1 墩頂縱向位移

地震作用下墩頂縱向位移見圖8。可知：采用彈性約束體系后，2#墩設計、罕遇地震工況下墩頂位移分別減少52.2%、56.8%，3#墩罕遇地震工況下墩頂位移增加8.9%。與連續約束體系相比，彈性約束體系對1#、4#邊墩墩頂縱向位移基本無影響；2#墩與主梁連接由固定約束變為彈性約束，顯著降低了墩頂縱向位移；3#墩與主梁連接由活動約束變為彈性約束，因此墩頂縱向位移略有增加。

圖8 地震作用下墩頂縱向位移

3.3.2 支座縱向位移

地震作用下支座縱向位移見圖9。可知，對于連續約束體系，2#墩與主梁之間為固定約束，地震作用下支座無縱向位移；對于彈性約束體系，2#、3#墩與主梁之間為彈性約束，設計地震工況下支座位移小于設計彈性位移35 mm，罕遇地震工況下支座位移達到設計彈性位移35 mm，即設計地震工況下墩梁處于彈性約束狀態，罕遇地震工況下墩梁處于有限位移彈性約束狀態。

圖9 地震作用下支座縱向位移

3.3.3 梁端相對位移

彈性約束體系罕遇地震工況下1#、4#墩梁端相對位移最大值分別為63.5、53.2 mm；連續約束體系罕遇地震工況下1#墩、4#墩梁端相對位移最大值分別為-50.3、-52.2 mm，均小于1#、4#邊墩梁縫200 mm。

3.4 彈性約束多功能支座承載力檢算

彈性約束多功能支座縱向限位擋塊水平設計承載力為8 000 kN，彈性約束裝置水平承載力2 800 kN。設計、罕遇地震工況下彈性約束多功能支座水平承載力檢算結果見表3。可知：彈性約束裝置、縱向限位裝置均滿足承載力設計要求，且設計地震工況下縱向水平力均由彈性約束裝置承擔，罕遇地震工況下縱向水平力由縱向限位裝置、彈性約束裝置共同承擔。

表3 彈性約束多功能支座縱向水平承載力檢算結果 kN

3.5 墩頂縱向剛度對減震性能的影響

2#、3#墩墩頂縱向設計剛度分別為7 422、6 897 kN/cm，通過材料彈性模量依次調整2#墩、3#墩墩頂剛度至3 000 kN/cm。地震作用下2#墩縱向剪力減震率見圖10。可知：設計地震工況下，墩頂縱向剪力減震率隨剛度增加而增加，平均減震率為60%；罕遇地震工況下，墩頂縱向剪力減震率隨剛度增加而減小，平均減震率為43%。整體上看，不同墩頂縱向剛度對減震性能影響有限，減震率變化幅度在5%以內。

圖10 地震作用下2#墩縱向剪力減震率

4 結論

1）彈性約束體系顯著延長了橋梁結構自振周期，一階縱飄周期由1.286 s 延長至2.238 s，延長率74.0%。

2）彈性約束體系有效減小了橋墩縱向剪力和墩頂水平位移，設計、罕遇地震工況下縱向剪力減震率分別為61.26%、40.56%。

3）彈性約束體系橋梁設計地震工況下墩梁處于彈性約束狀態，罕遇地震工況下墩梁處于有限位移彈性約束狀態，縱向水平力由縱向限位裝置、彈性約束裝置共同承擔。

4）彈性約束體系能夠減小連續梁橋溫度聯長，同時具有“高靜低動”的彈性連接特性，顯著提升了結構抗震性能。