雙曲面球型減隔震支座在城市軌道交通橋梁中的應用

莊 嚴

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

隨著我國各大城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道交通高架橋在城市交通網(wǎng)絡中占據(jù)越來越重要的地位。如何建立正確的抗震設計方案，降低災害損失，進而實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防思想，在高烈度地震區(qū)橋梁設計中起著重要的作用[1]。

相對各大干線鐵路，城市軌道交通高架橋梁具有結構自重小、剛度弱等特點。目前，城市軌道交通橋梁抗震設計仍以延性設計為主，該設計方法主要依靠增加結構自身的強度、變形能力抗震，盡管通過適當選擇塑性鉸位置和細部構造設計可以防止結構的倒塌，但結構構件的損傷不可避免。另外，依據(jù)公路、城市及地鐵相關設計規(guī)范，延性設計時基礎應作為能力保護構件，進行能力保護設計，這往往增加基礎的尺寸和配筋量，特別是在高烈度地震區(qū)及地質條件較差的地區(qū)，基礎的設計顯得尤為困難。與延性抗震設計相比，減隔震設計可以減小橋墩所受內力從而保護橋梁結構免受地震破壞，提高橋梁結構的安全性，避免橋墩破壞后修復困難[2-3]。

本文以晉中—太原軌道交通L2號線為工程背景，以30 m標準簡支橋梁為研究對象，采用雙曲面球型減隔震支座對橋梁進行減隔震設計，探索城市軌道交通高架橋梁的減隔震設計與計算方法。

1 雙曲面球型減隔震支座工作原理

雙曲面球型減隔震支座(見圖1)的減隔震工作原理：當?shù)卣鸢l(fā)生且支座所受水平力超過設計值時，支座限位裝置剪斷，支座的水平限位約束解除，大半徑球面摩擦副即可在水平方向自由滑移。由于雙曲面球型減隔震支座發(fā)揮減隔震作用，橋梁體系的固有結構周期由原來較小的周期延長為較大的周期，使橋梁體系避開了地震能量密集區(qū)，有效降低了橋梁體系的地震響應。支座在滑移過程中，由于摩擦阻力消耗部分地震能量，地震過后支座的恢復力使梁體恢復到原設計位置附近[4]。

1-下座板；2-中座板；3-雙球面聚乙烯滑板；4-雙球面不銹鋼滑板；5-限位板；6-上座板。圖1 雙曲面球型減隔震支座結構示意

2 雙曲面減隔震支座的恢復力模型

對于直線橋梁，雙曲面球型減隔震支座的恢復力模型可近似為雙線性[5-8]，其滯回曲線見圖2。

圖2 雙曲面球型減隔震支座滯回曲線

(1)

(2)

(3)

式中：Kp為數(shù)值計算時需要輸入的初始剛度；Kc為支座屈服后剛度，為滯回曲線平行四邊形中上部或下部直線的斜率；Keff為等效剛度；μ為滑動摩擦系數(shù)；W為支座豎向承載力；dy為屈服位移；R為支座等效曲面半徑；F為支座水平力；D為支座的地震位移，先估值計算，然后根據(jù)計算結果再作調整。

3 雙曲面球型減隔震設計原則

在地震作用下，高架橋梁必須滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標[9]。同時，鑒于城市軌道交通生命線工程的重要性及工程結構震后修復困難，城市軌道交通高架橋梁需要有較高的抗震性能要求。為盡可能減少小地震對高架橋梁的影響，提高強震下高架橋梁的抗震性能，本文建議城市軌道交通高架減隔震設計盡量滿足以下原則[4,10]：

1)多遇地震作用下，支座限位裝置不剪斷，此時支座與普通球型支座一樣，橋梁利用支座及下部結構的強度抗震，結構處于彈性狀態(tài)。為了安全起見，支座剪斷力可取1.2～1.5倍多遇地震下墩頂水平力。

2)設計地震作用下，支座限位裝置已剪斷，雙曲面球型減隔震支座發(fā)揮減隔震作用，恢復力模型為雙線性，橋墩與基礎處于彈性狀態(tài)。

3)罕遇地震作用下，支座限位裝置已剪斷，雙曲面減隔震支座的功能與設計地震作用下相同。橋墩與基礎處于基本彈性狀態(tài)。

4 抗震分析

4.1 基本參數(shù)

以晉中—太原軌道交通L2號線3孔30 m標準簡支橋梁為例。梁體采用單箱單室預應力混凝土箱梁，橋墩采用矩形花瓶形實體墩，基礎采用鉆孔灌注樁。橋址區(qū)設防烈度為8度，地震動峰值加速度為0.2g，場地類別Ⅲ類，場地特征周期0.55 s。橋墩構造尺寸見圖3，不同墩高橋墩及樁基尺寸見表1。

圖3 橋墩構造(單位：cm)

墩高H / m墩身坡率墩身尺寸(A×B)/m樁基布置/mH≤12直坡2.2×2.25?1.212

雙曲面球型減隔震支座參數(shù)的選取見表2。

表2 雙曲面球型減隔震支座參數(shù)

4.2 計算模型

圖4 計算模型

主梁混凝土采用C50，橋墩及承臺混凝土采用C40。選取3孔30 m的簡支梁，橋墩為等高墩，利用MIDAS/Civil軟件建立有限元模型，對不同墩高的簡支橋進行模擬計算，計算模型見圖4。為考慮樁-土-結構相互作用對群樁基礎變形的影響，采用工程上比較常用的“m”法，將樁基等效為地基彈簧。樁基等效剛度見表3。采用反應譜法計算多遇地震力，采用非線性時程法計算罕遇地震力。非線性時程分析時，雙曲面球型減隔震支座采用MIDAS中的“減隔震支座隔震裝置”非線性連接單元。選取本線工程場地地震安全性評價中的3條時程波進行計算，時程分析結果取3組計算結果的最大值。罕遇地震下3條安全性評價時程波見圖5。

表3 樁基等效剛度 kN/m

圖5 罕遇地震下3條安全性評價時程波

4.3 支座剪斷力的確定

根據(jù)雙曲面球型減隔震支座的減隔震工作原理，當?shù)卣鹱饔贸^多遇地震作用時，支座限位裝置剪斷，達到減隔震的效果。根據(jù)多遇地震水平地震力，反算支座需要承擔的水平地震力與墩頂支座豎向設計承載力的比值N，詳見表4。

表4墩頂水平地震力與墩頂支座豎向設計承載力的比值N

墩高H /mN/%橫向無車橫向有車縱向無車縱向有車4313331318272724241219201717161818161620181817172417171515

注:墩頂支座豎向設計承載力為6 000 kN。

由表4可見:在多遇地震作用下橋墩越矮支座水平剪力越大，即橋跨結構相同條件下墩高不同支座的水平地震力亦不同；當墩高H≤8 m時，隨墩高減小墩頂水平地震力增大比較明顯，當墩高8 m

在確定支座剪斷力時可按高墩(H>8 m)與矮墩(H≤8 m)分別確定。墩高H≤8 m時，剪斷力取支座豎向設計承載力的33%；墩高H>8 m時，剪斷力取支座豎向設計承載力的25%。另外，考慮支座材料偏差以及其他安全因素，支座剪斷力選取時留適當?shù)母辉Ｖ?，這里取1.2倍安全系數(shù)，以保證在多遇地震作用下支座不被剪斷。所以，墩高H≤8 m時，剪斷力取 2 380 kN；墩高H>8 m時，剪斷力取 1 800 kN。

4.4 減隔震效果分析

為了考察雙曲面減隔震支座的減隔震效果，對橋梁分別采用雙曲面球型減隔震支座和普通球型鋼支座進行對比分析。在多遇地震作用下支座限位裝置不間斷，雙曲面球型減隔震支座和普通球型鋼支座效果一致。因此，僅分析罕遇地震作用下的計算結果，順橋向與橫橋向隔震率見表5。

由表5可見：在罕遇地震作用下，采用雙曲面球型減隔震支座相比采用普通球型鋼支座，墩底的彎矩與剪力值均顯著減小，彎矩減小了48.1%～83.2%，剪力減小了36.6%～84.0%；同時，墩高越低彎矩與剪力減小幅度越大，說明同樣設置雙曲面球型減隔震支座，低墩的隔震效果明顯優(yōu)于高墩。

表5 不同墩高在罕遇地震作用下的隔震效果

注：減震率=(普通球形鋼支座-雙曲面球型減隔震支座)/普通球形鋼支座[11-12]。

4.5 橋墩地震響應分析

通過分析計算，不同墩高在橫向、縱向地震作用下墩底彎矩分別見表6、表7。

表6 不同墩高在橫向地震作用下墩底彎矩

表7 不同墩高在縱向地震作用下墩底彎矩

為了使結果更為直觀，將表6、表7的結果以柱狀圖形式示出，見圖6。

圖6 不同墩高在地震作用下墩底彎矩

由表6、表7及圖6可見：多遇地震、支座剪斷及罕遇地震各工況，墩底縱向與橫向彎矩均隨墩高增加而增大；在墩高H≤20 m時，各工況墩底彎矩的差異不大且墩底彎矩均由支座剪斷工況控制；墩高H>20 m時，在支座剪斷及罕遇地震工況墩底彎矩比多遇地震工況明顯增大，且墩底彎矩由罕遇地震工況控制。

墩高H≤20 m時，采用雙曲面球型減隔震支座進行減隔震設計比較合理；當墩高H>20 m時，建議分別采用延性設計和減隔震設計，根據(jù)對比分析結果，選取更合理的抗震設計方法。

4.6 橋墩與基礎檢算

對支座剪斷及罕遇地震各工況不同墩高下橋墩墩身及樁基進行檢算。其中，橋墩檢算選擇墩底截面，樁基檢算選擇樁頂截面及樁身彎矩最大處截面。計算結果見表8、表9。

表8 不同墩高下橋墩計算值

由表8、表9可見：橋墩墩身配筋率為16.6‰～20.5‰，地震作用下橋墩由配筋控制設計，最大鋼筋拉應力為321.2 MPa，略大于315 MPa，橋墩基本處于彈性受力狀態(tài)；樁基配筋率為13.9‰，地震作用下樁基由配筋控制設計，最大鋼筋拉應力為328 MPa，略大于315 MPa，樁基基本處于彈性受力狀態(tài)。

表9 不同墩高下樁基計算值

4.7 位移計算

在罕遇地震作用下，支座已經(jīng)剪斷，雙曲面減隔震支座開始起減隔震作用。此時，墩梁相對位移見表10。

表10 罕遇地震墩梁相對位移

由表10可見，墩高越高墩梁相對位移越大。墩高24 m時，墩梁最大縱向相對位移117 mm，最大橫向相對位移120 mm。梁縫取值時，建議不宜小于120 mm，可以盡量減小在罕遇地震作用下相鄰梁間的碰撞作用。設置防落梁擋塊時，擋塊與支承墊石間縫隙值建議不應小于120 mm，以保證在預定的罕遇地震作用下防落梁擋塊不參與受力，超過預定的罕遇地震時，防落梁擋塊再起作用。

5 結論與建議

本文依據(jù)實際軌道交通工程項目，對設置雙曲面球型減隔震支座的30 m標準跨簡支梁進行地震響應分析，探索城市軌道交通高架橋梁的減隔震設計計算方法。主要研究結論如下：

1)通過對不同墩高在多遇地震下的地震響應規(guī)律的分析，合理確定了支座剪斷力。在多遇地震作用下支座不剪斷，結構受力與普通支座一致，結構處于彈性工作狀態(tài)。

2)在罕遇地震作用下，采用雙曲面球型減隔震支座相比采用普通球型鋼支座，墩底的彎矩與剪力值均顯著減小，彎矩減小了48.1%～83.2%，剪力減小了36.6%～84.0%。同樣設置雙曲面球型減隔震支座，低墩的隔震效果明顯優(yōu)于高墩。

3)墩高較低時，采用雙曲面球型減隔震支座進行減隔震設計比較合理；當墩高較高時，建議分別采用延性設計和減隔震設計，根據(jù)對比分析結果，選取更合理的抗震設計方法。

4)在罕遇地震作用下支座剪斷，雙曲面減隔震支座發(fā)揮減隔震作用，橋墩及樁基仍處于彈性工作狀態(tài)，滿足既定的設防目標。

5)建議梁縫、擋塊與支承墊石間縫隙的取值，不宜過小，宜根據(jù)墩梁最大相對位移綜合考慮。

采用雙曲面減隔震的橋梁能有效降低地震響應，避免結構構件的損傷、震后修復困難等問題，能產生很好的經(jīng)濟效益和社會效益。本文可為地質條件復雜及地震高烈度城市地區(qū)的軌道交通橋梁提供設計依據(jù)，也可為今后相關設計規(guī)范、標準的修訂提供技術支持。

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