高速鐵路大跨連續(xù)梁橋減隔震方案討論*

馮亞成

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

0 引言

近年來世界范圍內(nèi)地震頻發(fā)，強(qiáng)震對(duì)結(jié)構(gòu)物造成了嚴(yán)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(shè)計(jì)受到越來越多的重視。相對(duì)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(wěn)定性 (鄭健，2008)，因此對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的剛度要求更大，而橋梁的良好抗震性能則要求結(jié)構(gòu)具有較大的柔度。在一些高烈度區(qū)，常規(guī)跨度的簡(jiǎn)支梁橋，仍可通過增加橋墩及樁基截面尺寸或增強(qiáng)配筋的做法來達(dá)到抗震設(shè)防的目的，并且將工程造價(jià)控制在可接受的范圍內(nèi)。但對(duì)于大跨結(jié)構(gòu)如連續(xù)梁等，本身上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量很大，按照傳統(tǒng)的受力模式，地震時(shí)產(chǎn)生的水平慣性力幾乎全部由制動(dòng)墩承擔(dān)，制動(dòng)墩受力過大致使下部基礎(chǔ)數(shù)量龐大，工程造價(jià)成倍增加，且由于基礎(chǔ)增大，結(jié)構(gòu)剛度會(huì)增大，地震力亦會(huì)進(jìn)一步增大，從而使抗震設(shè)計(jì)陷入惡性循環(huán)。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(yùn)專線等高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)中尤為突出。

近年來減隔震的設(shè)計(jì)理念逐漸被引入到大跨橋梁的抗震設(shè)計(jì)中 (范立礎(chǔ)，王志強(qiáng)，2001)，由于采用減隔震裝置延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期或增加結(jié)構(gòu)的阻尼 (彭天波等，2007)，將地面輸入到結(jié)構(gòu)中的能量進(jìn)行耗散或?qū)⒔Y(jié)構(gòu)與可能引起的地面運(yùn)動(dòng)分離開，減少了梁部傳遞給墩臺(tái)及基礎(chǔ)的地震力，大大減小了地震時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng) (劉書賢等，2014)，使得設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)合理，結(jié)構(gòu)安全性能更高，得到越來越多工程師的推崇。

本文結(jié)合鐵路橋梁自身特點(diǎn)，介紹了3種常用的減隔震技術(shù)，并以某客運(yùn)專線鐵路一聯(lián) (80+2×128+80)m連續(xù)梁的減隔震設(shè)計(jì)為例，計(jì)算分析了采用4種不同減隔震方案時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移響應(yīng)，針對(duì)計(jì)算結(jié)果對(duì)4種減隔震方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為鐵路大跨連續(xù)梁橋的減隔震設(shè)計(jì)和分析提供參考。

1 減隔震技術(shù)及方案

目前，橋梁工程中使用的減隔震技術(shù)主要分為兩類:一是采用阻尼器增加結(jié)構(gòu)的阻尼來耗散能量，以減小結(jié)構(gòu)的位移并提高橋墩的抗震性能;二是采用減隔震支座延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，從而減小地震反應(yīng)。結(jié)合鐵路橋梁的特點(diǎn)，將3種可用于鐵路橋梁減隔震裝置的特點(diǎn)和應(yīng)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(xì)柔軟的身材……這還是那個(gè)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(jù)場(chǎng)地安評(píng)報(bào)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(dòng)峰值加速度達(dá)0.6 g，將地震波輸入到計(jì)算模型中，采用時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)在各種減隔震方案下的響應(yīng)(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(nèi)填硅油，在活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中液體硅油起粘滯作用，耗散地震能量，對(duì)結(jié)構(gòu)起到耗能、減震控制作用 (陳永祁，2012)。這種內(nèi)置硅油的速度型阻尼器，性能相對(duì)可靠穩(wěn)定，并已經(jīng)發(fā)展成從規(guī)范、設(shè)計(jì)規(guī)程到分析計(jì)算程序、產(chǎn)品檢驗(yàn)的完整體系 (UNI EN 15129—2009)。

粘滯阻尼器一般由活塞、油缸及節(jié)流孔組成，是利用活塞前后壓力使油流過節(jié)流孔產(chǎn)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(xué)特性一般關(guān)系可表達(dá)為

研究組患者的治療有效率顯著高于對(duì)照組，兩組患者的并發(fā)癥出現(xiàn)率比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表1。

1.3效果評(píng)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?dú)庵笜?biāo)正常;有效:患者的體征改善明顯,心功能改善1級(jí),血?dú)庵笜?biāo)改善;無效:患者的癥狀沒有改善或者更加嚴(yán)重。

式中，F(xiàn)為阻尼力;C為阻尼系數(shù);V為阻尼器沖程速度;α為阻尼指數(shù)，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(fā)明以來，經(jīng)歷了幾次技術(shù)革新，目前已較為成熟，滿足工程需要的各種不同參數(shù)的阻尼器在國(guó)內(nèi)外的重點(diǎn)橋梁工程中發(fā)揮著重要作用 (表1)。

表1 阻尼器在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的部分實(shí)例Tab.1 Parts of application examples of liquid viscous damper at home and abroad

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生且水平橫向力超過預(yù)定值時(shí)，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(dòng)，其平面尺寸主要由最大設(shè)計(jì)位移控制。該支座利用簡(jiǎn)單的鐘擺機(jī)理延長(zhǎng)了橋梁的自振周期，從而降低加速度反應(yīng);地震過后，結(jié)構(gòu)自重又可形成恢復(fù)力，幫助橋梁上部結(jié)構(gòu)回到原來的位置。通過調(diào)整支座轉(zhuǎn)動(dòng)半徑可得到不同的減震效果，增加支座轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，減震效果增強(qiáng)，但同時(shí)也會(huì)增大支座的水平位移。

1.2 雙曲面減隔震支座

通過上面數(shù)據(jù)和圖表的對(duì)比分析，將各方案對(duì)大跨連續(xù)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(xù)梁的抗震設(shè)計(jì)中，方案3減隔震原理明確，實(shí)施效果好，且該方案減隔震裝置性能穩(wěn)定，可針對(duì)方案3橫向位移過大的問題繼續(xù)開展研究，采用適當(dāng)構(gòu)造措施如使用防落梁裝置限制橫向位移或調(diào)整阻尼器設(shè)置角度來解決，建議將方案3作為該橋減隔震設(shè)計(jì)的推薦方案。

由于王家會(huì)站歷年實(shí)測(cè)流量平均水深相對(duì)較小，河槽沖淤變幅最大為0.6 m，超過大部分實(shí)測(cè)流量平均水深的30%，故水位代表性較差，依據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-2015）4.4.3條之規(guī)定，采用1992—2016年實(shí)測(cè)流量系列，按照流量進(jìn)行劃分。

粘滯阻尼器產(chǎn)生的阻尼力與速度和溫度有關(guān)，在應(yīng)用這類阻尼器時(shí)應(yīng)予以注意。此外，油壓的調(diào)整、漏油、灰塵的侵入等也需采取相應(yīng)的措施，并進(jìn)行必要的維護(hù)。由于粘滯阻尼器具有方向性，在其安裝設(shè)置時(shí)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(chǎn)品已經(jīng)在蘇通長(zhǎng)江大橋、上海崇明越江通道長(zhǎng)江大橋、福廈鐵路烏龍江特大橋、佛山平勝大橋、荊岳長(zhǎng)江大橋等大型橋梁工程中投入應(yīng)用。

初始狀態(tài)時(shí)，納米氧化硅和納米氧化鈣顆粒填充在膨潤(rùn)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(jìn)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(fā)生反應(yīng)，生成了穩(wěn)定的膠凝物質(zhì)團(tuán)(顆)粒，團(tuán)(顆)粒之間的離子交換作用會(huì)抑制膨潤(rùn)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(diǎn)低、塑性高、強(qiáng)度低、潤(rùn)滑能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)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(qiáng)的變形跟蹤能力，通過動(dòng)態(tài)恢復(fù)和再結(jié)晶過程，其組織和性能還可恢復(fù)至變形前的狀態(tài) (周云等，1999)。因此鉛芯阻尼器具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)使用壽命不受限制;(2)提供的阻尼力可靠;(3)對(duì)位移變化敏感;(4)構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作中不需維護(hù)。但它具有恢復(fù)性差和易對(duì)環(huán)境造成污染等缺點(diǎn)。

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司減隔震攻關(guān)小組利用“支座功能分離”的設(shè)計(jì)理念，已成功開發(fā)了簡(jiǎn)支梁上使用的減震榫裝置 (李承根，高日，2009)。在此基礎(chǔ)上，沿用“支座功能分離”的設(shè)計(jì)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(huán)內(nèi)裝鉛芯的構(gòu)造裝置，此裝置水平向利用鋼環(huán)的水平間隙發(fā)生大的變形來滿足地震時(shí)的位移需要，同時(shí)裝置內(nèi)的鉛芯發(fā)生重結(jié)晶耗散地震能量。初步的試驗(yàn)結(jié)論表明該裝置具有較大的耗能能力。

(1)信息技術(shù)安全弱。技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是互聯(lián)網(wǎng)金融相比傳統(tǒng)金融尤為突出的一種風(fēng)險(xiǎn)。由于其載體是互聯(lián)網(wǎng)，因此本身在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)就十分顯著的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)便傳導(dǎo)至互聯(lián)網(wǎng)金融理財(cái)領(lǐng)域。互聯(lián)網(wǎng)金融企業(yè)的用戶信息全部存放在互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，安全極難得到保障，一旦被黑客攻破，數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)金融技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的主要原因是互聯(lián)網(wǎng)金融平臺(tái)由于資金短缺，無法做到設(shè)備的物理隔離、數(shù)據(jù)信息的備份和不同機(jī)房間的無縫切換。

1.4 4種減隔震方案

根據(jù)幾種減隔震裝置的特點(diǎn)介紹，結(jié)合 (80+2×128+80)m連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力和場(chǎng)地特點(diǎn)，制定了4種減隔震方案:(1)縱向設(shè)置粘滯阻尼器;(2)采用雙曲面球型減隔震支座;(3)縱向設(shè)置粘滯阻尼器+雙曲面支座方案;(4)鉛芯阻尼器方案。在優(yōu)化各方案減隔震裝置參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別采用4種方案對(duì)該鐵路連續(xù)梁橋進(jìn)行動(dòng)力仿真模擬，提取計(jì)算結(jié)果對(duì)各方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

隨著國(guó)際旅游者行為研究的不斷深入，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的視角選擇也更加開放化、多元化、國(guó)際化。學(xué)者們多從社會(huì)學(xué)、人類學(xué)、倫理學(xué)的學(xué)科大背景切入，從倫理道德、后現(xiàn)代、人地關(guān)系等微觀視角出發(fā)，發(fā)現(xiàn)旅游現(xiàn)象背后隱藏的深層次內(nèi)涵，不斷拓展對(duì)旅游現(xiàn)象的多元化認(rèn)識(shí)。

2 動(dòng)力計(jì)算模型

2.1 分析模型

本文以某高速鐵路一聯(lián) (80+2×128+80)m連續(xù)梁為例，橋址位于地震動(dòng)峰值加速度0.3 g的高烈度地震區(qū)，場(chǎng)地特征周期T g=0.55 s，上部結(jié)構(gòu)梁體重達(dá)28 000 t。該橋具有跨度大、上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量重、場(chǎng)地地震烈度高3個(gè)明顯特點(diǎn)。全橋采用三維空間梁?jiǎn)卧Ｐ?，阻尼器采用基于Maxwell模型的滯后系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)輸入

建議對(duì)業(yè)績(jī)較好，已經(jīng)有一定影響力和市場(chǎng)信譽(yù)度的科研眾包平臺(tái)，通過認(rèn)定的方式授予平臺(tái)相關(guān)資質(zhì)，允許一些財(cái)政資助的科研項(xiàng)目或科研項(xiàng)目的子課題在平臺(tái)上發(fā)包，或是由財(cái)政資助的科研項(xiàng)目產(chǎn)生的科技成果在平臺(tái)上實(shí)施轉(zhuǎn)化。一方面可以讓財(cái)政資助的科研項(xiàng)目找到最佳的接包方，實(shí)現(xiàn)科技資源的最優(yōu)配置；另一方面，通過適當(dāng)?shù)男姓侄?，可以幫助科研眾包平臺(tái)樹立平臺(tái)的公信力和影響力，進(jìn)而打造出具有高認(rèn)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(jì)算結(jié)果按照縱橋向和橫橋向分別進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)各種方案對(duì)墩身內(nèi)力及結(jié)構(gòu)位移的減隔震效果。

如圖12和表7所示，對(duì)于1# 錨鏈力，工況4下其錨鏈力響應(yīng)大小范圍為809～1 170 kN，且出現(xiàn)較大的起伏波動(dòng)，平均錨鏈力相當(dāng)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(yīng)變化較小，平均錨鏈力為145 kN。工況4下，達(dá)到最大值193 kN。1# 艙室破損對(duì)3# 錨鏈力影響明顯，如圖12-(c)所示，3# 錨鏈最大張力值達(dá)到了1 180 kN，相較于工況1(正常組)最大錨鏈力，增幅達(dá)到了21.9%。

3.1 縱橋向地震響應(yīng)

針對(duì)墩頂?shù)目v向水平力、墩底彎矩進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)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(duì)最小的;方案1與方案3兩種方案的效果基本相當(dāng);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(nèi)，可將過渡墩的墩頂縱向水平力控制在13 000 kN內(nèi)。由圖6b可以看出，除1號(hào)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(hào)墩幾種方案的彎矩均比較接近，相差最大的為2、3號(hào)墩，采用阻尼器+雙曲面的方案時(shí)，2、3號(hào)墩墩底彎矩比單獨(dú)采用阻尼器或單獨(dú)采用雙曲面支座的都大，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減隔震措施要設(shè)置適當(dāng)。一個(gè)結(jié)構(gòu)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(xié)同工作，需慎重考慮。

3.2 橫橋向地震響應(yīng)

圖6c給出了不同方案下橋墩墩頂橫向水平力的對(duì)比，由于方案1僅在縱橋向設(shè)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?？梢钥闯鲇捎诓捎昧穗p曲面球型減隔震支座，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)周期，方案2和方案3實(shí)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(shì)一致。

3.3 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

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(xù)梁順橋向、橫橋向位移的對(duì)比圖。分析時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)構(gòu)造及梁縫的設(shè)置，認(rèn)為縱向位移宜控制在30 cm以內(nèi)，否則可能使梁體發(fā)生碰撞損傷或相鄰孔發(fā)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(chǔ)受力最大，橋墩可能發(fā)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(jià)的;采用方案2即雙曲面支座，周期延長(zhǎng)，地震力減小，支座發(fā)生大位移，縱、橫向位移均較大，無法保證結(jié)構(gòu)的合理性;方案3在雙曲面支座基礎(chǔ)上縱向設(shè)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(duì)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(chǔ)上，用大半徑球面摩擦副代替平面摩擦副，并設(shè)置抗剪裝置而形成的一種新型支座 (圖2)，彭天波等(2007)對(duì)其進(jìn)行了深入的理論分析和試驗(yàn)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(fā)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(yùn)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(jié)論

針對(duì)高烈度地震區(qū)客運(yùn)專線等高速鐵路大跨連續(xù)梁橋的抗震設(shè)防遇到的設(shè)計(jì)難題，采用減隔震設(shè)計(jì)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(yùn)用于某高速鐵路大跨連續(xù)梁橋中，通過計(jì)算分析得出以下主要結(jié)論:

(1)橋梁主梁與墩臺(tái)之間設(shè)置液體粘滯阻尼器，可以有效的減小縱橋向的地震響應(yīng)，控制縱橋向梁體位移;也可在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合墩頂與梁體的空間位置，縱橫兩個(gè)方向一起設(shè)置阻尼器同時(shí)改善橋梁兩個(gè)方向的受力。

(2)雙曲面球型減隔震支座具有性能穩(wěn)定、位移可自恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，且能同時(shí)改善橋梁兩個(gè)方向的受力，在高烈度地震區(qū)大跨橋梁的減隔震設(shè)計(jì)中有廣闊的應(yīng)用前景，但同時(shí)存在位移過大的問題，應(yīng)采取相應(yīng)措施予以解決，如可通過縱橋向加阻尼器、橫橋向設(shè)防落梁等措施限制位移。

(3)鉛芯阻尼器充分發(fā)揮了鉛的高耗能和重結(jié)晶的特性，具有很大的耗能能力，發(fā)展?jié)摿薮?，但目前正處于試?yàn)階段，可繼續(xù)深化研究。

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