城際鐵路大跨度連續(xù)梁橋減隔震分析

黃瑞峰

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

在建城際鐵路需跨越眾多交通干道、江河及溝谷障礙時(shí)，大跨度連續(xù)梁橋因其良好的經(jīng)濟(jì)性、成熟的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)而成為首選方案。大跨度連續(xù)梁橋的大噸位支座以及對(duì)溫度、收縮徐變等次內(nèi)力的高敏感性導(dǎo)致其在高烈度地震區(qū)的抗震設(shè)計(jì)成為控制關(guān)鍵。近年來由于減隔震技術(shù)的快速發(fā)展以及對(duì)防災(zāi)救援的理性思考，通過減隔震技術(shù)來改善大跨度連續(xù)梁橋的抗震性能得到了大力發(fā)展和推廣。對(duì)于大跨度連續(xù)梁橋的抗震問題，常規(guī)的解決方案是延性設(shè)計(jì)和減隔震設(shè)計(jì)[1-2]。延性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是在地震力作用下橋墩結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生塑性變形，從而延長了結(jié)構(gòu)周期，同時(shí)消耗了地震能量。減隔震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是使用減隔震裝置來延長結(jié)構(gòu)周期或增加結(jié)構(gòu)阻尼以減小地震效應(yīng)。對(duì)于城際鐵路而言，若采用延性設(shè)計(jì)，震后修復(fù)工作量巨大不易開展，且大跨度連續(xù)梁支座噸位較大，延性設(shè)計(jì)很難滿足規(guī)范要求[3-4]。因此，本文針對(duì)鐵路網(wǎng)高烈度區(qū)的大跨度連續(xù)梁橋，通過采用減隔震支座和黏滯阻尼器相結(jié)合的措施研究其減隔震性能及工程應(yīng)用情況。

1 工程概況及模型

1.1 工程概況

西法城際作為陜西關(guān)中城際鐵路網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，不僅是連接西安北站與咸陽國際機(jī)場的軌道交通要道，也是陜西城際鐵路網(wǎng)中的交通干線和旅游環(huán)線。新建橋梁跨越高速公路時(shí)，按照立交協(xié)議采用(77+128+77)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁跨越道路，總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置 (單位：cm)

連續(xù)梁上部設(shè)計(jì)為變高度單箱室箱形截面，中墩支點(diǎn)梁高9.3 m，邊墩支點(diǎn)梁高5.5 m。主墩均采用尺寸為4.6 m×9.8 m的圓端形實(shí)體墩，邊墩分別采用3.8 m×8.2 m的圓端形實(shí)體墩和4.0 m×9.4 m的圓端形空心墩；各墩高度為11.5～21.0 m；主墩采用20-φ180 cm 摩擦樁，邊墩采用12-φ150 cm摩擦樁。

1.2 有限元模型

通過MIDAS/Civil軟件建立實(shí)橋的空間梁單元模型。鉆孔樁基的模擬采用6自由度的彈簧，按“m”法計(jì)算樁基彈簧。根據(jù)地質(zhì)專業(yè)勘察報(bào)告可知，橋址處地層為飽和粉細(xì)砂土及粉黏土夾層，按勘探報(bào)告計(jì)算考慮20 m液化深度。二期恒載采用等效質(zhì)量均布于主梁之上。

1.3 地震動(dòng)選取輸入

橋梁位于8度區(qū)(地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，特征周期Tg為0.4 s)，地震烈度較高，且該橋主跨跨度較大，支座噸位大，橋墩墩高低，地震響應(yīng)大。結(jié)合波速測井試驗(yàn)結(jié)果及規(guī)范要求，按50年超越概率63%，10%，2%分別擬合3條人工波。本文取其中具有代表性的人工波作為地震波輸入進(jìn)行罕遇地震(50年超越概率2%)響應(yīng)分析，見圖2。

圖2 罕遇地震下的人工波時(shí)程曲線

2 減隔震原理及措施

2.1 減隔震原理

摩擦擺減隔震支座的設(shè)計(jì)特征在于利用摩擦耗能實(shí)現(xiàn)減震功能，利用擺動(dòng)延長周期來實(shí)現(xiàn)隔震。摩擦擺球形支座的模擬采用常規(guī)的雙線性彈性模型，其典型的荷載-位移滯回曲線見圖3。其中：Kp為支座初始剛度；Kc為屈服后剛度；Keff為等效剛度；dy為屈服位移;μ為動(dòng)摩擦因數(shù)；W為豎向荷載。

圖3 支座的荷載-位移滯回曲線

黏滯阻尼器由缸體、活塞、液壓閥和硅油組成，其特點(diǎn)是活塞通過循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)部液體流動(dòng)以產(chǎn)生阻尼效果。阻尼力與速度的關(guān)系表達(dá)式為

F=CVα

式中：F為阻尼力；C為阻尼系數(shù)；V為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；α為速度指數(shù)，取值范圍為0.01～2.00，實(shí)際橋梁工程常規(guī)的取值范圍均在0.2～0.5。

黏滯阻尼器作為剛度結(jié)構(gòu)，并不會(huì)改變結(jié)構(gòu)固有的動(dòng)力特性，僅為整體結(jié)構(gòu)提供附加阻尼。由上式可知，在正常溫度應(yīng)力、收縮徐變作用下，阻尼器速度極小，所產(chǎn)生的阻尼力基本不影響結(jié)構(gòu)的正常工作狀態(tài)；但在地震情況下梁體和墩頂之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較大，輸出的阻尼力也較大，且阻尼器本身的往復(fù)運(yùn)動(dòng)也會(huì)有效消耗地震能量[3]。

2.2 減隔震措施

通過對(duì)比計(jì)算及參數(shù)研究，確定該橋邊墩、主墩分別采用豎向承載力 8 000，60 000 kN 的減隔震支座，等效半徑分別為2.5，6.0 m，動(dòng)摩擦因數(shù)均為0.05；阻尼系數(shù)均為 4 000 kN/(mm·s-1)，速度指數(shù)均為0.3，設(shè)計(jì)噸位均為 3 500 kN。 全橋共設(shè)12個(gè)阻尼器，其中主墩各4個(gè)，邊墩各2個(gè)。主墩阻尼器的布置如圖4所示。

圖4 阻尼器布置示意(單位：cm)

在遭遇多遇地震時(shí)，可認(rèn)為連續(xù)梁僅通過固定墩來單獨(dú)承受全聯(lián)的地震作用，摩擦擺支座的剪力銷完好，僅由支座摩擦耗能來保證橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用及多遇地震下橋梁的伸縮位移。一旦超越多遇地震，剪力銷喪失功能，主墩、邊墩則共同分擔(dān)地震效應(yīng)，支座通過摩擦耗能、延長周期，進(jìn)而降低地震效應(yīng)；黏滯阻尼器開始工作，阻尼器耗能可控制墩梁之間的相對(duì)位移在合理范圍內(nèi)[4]。

3 減隔震分析

通過MIDAS/Civil建立有限元模型，根據(jù)實(shí)際工程模擬摩擦擺支座和黏滯阻尼器，從而研究多遇地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和地震響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明：采用摩擦擺支座和黏滯阻尼器相結(jié)合的減隔震措施，可明顯延長結(jié)構(gòu)的自振周期；在罕遇地震下墩身及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)均處于彈性工作范圍，且墩梁之間的相對(duì)位移有效控制在20 cm之內(nèi)。采用減隔震措施后主橋第1階自振周期為2.94 s，相比之前的1.34 s，減隔震設(shè)計(jì)可有效延長自振周期，且效果較為明顯[5-8]。

在罕遇地震作用下順橋向、橫橋向179#—182#墩的墩底地震響應(yīng)見表1?？芍?，在摩擦擺支座和黏滯阻尼器相結(jié)合的減隔震設(shè)計(jì)下，可有效地將地震響應(yīng)較為平均地分配到各墩，從而使全聯(lián)連續(xù)梁共同抗震。

表1 罕遇地震作用下墩底地震響應(yīng) kN·m

罕遇地震作用下181#墩的阻尼輸出見圖5?？芍?，該橋阻尼器的最大輸出結(jié)果為 3 353 kN。對(duì)照常用設(shè)計(jì)參數(shù)選定設(shè)計(jì)噸位為 3 500 kN 的阻尼器。

圖5 罕遇地震作用下181#墩阻尼輸出

圖6 罕遇地震作用下181#墩相對(duì)位移

罕遇地震作用下181#墩相對(duì)位移見圖6。可知，順橋向、橫橋向位移最大值分別為11.1，15.4 cm。

罕遇地震作用下181#墩阻尼滯回曲線見圖7?？梢?，曲線線形飽滿，耗能效果明顯。

圖7 罕遇地震作用下181#墩阻尼滯回曲線

根據(jù)罕遇地震作用下地震響應(yīng)結(jié)果，采用中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司自編軟件對(duì)橋墩及樁基下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，混凝土應(yīng)力及鋼筋應(yīng)力各項(xiàng)指標(biāo)均在規(guī)范限值內(nèi)，橋墩、樁基均未超出彈性范圍。

4 結(jié)論

1)摩擦擺減隔震支座和黏滯阻尼器相結(jié)合的減隔震措施，可有效協(xié)調(diào)各墩均勻分擔(dān)地震響應(yīng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗震性能，順橋向和橫橋向的減震效果均較明顯。

2)罕遇地震作用下橋墩和樁基下部結(jié)構(gòu)均處于彈性工作范圍，墩梁之間的相對(duì)位移在合理范圍內(nèi)。

3)對(duì)于鐵路大跨度連續(xù)梁結(jié)構(gòu)而言，采用組合減隔震措施可有效保障災(zāi)后通道的順暢，明顯降低災(zāi)后維修難度及成本。