三線鐵路高墩連續(xù)梁橋采用速度鎖定裝置的地震響應(yīng)分析及應(yīng)用

姚志國

（中鐵二院昆明勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，昆明 650201）

1 引言

大理至臨滄鐵路由南向北主要途經(jīng)較大河流為西河、樂秋河、瀾滄江及羅閘河，山高溝深、構(gòu)造發(fā)育、地震烈度高，超出研究抗震研究采樣范圍，多數(shù)橋梁需要加深高墩抗震設(shè)計研究，而Ⅷ度及以上高烈度地震區(qū)一般盡量避免高墩與大跨的結(jié)合，大跨度橋梁宜優(yōu)先選擇自重輕、剛度和質(zhì)量分布均勻的鋼結(jié)構(gòu)、或鋼混組合結(jié)構(gòu)。但有時從經(jīng)濟(jì)性和實用性及便于施工角度考慮，某些高烈度地震區(qū)峽谷地帶往往選用預(yù)應(yīng)力混凝土多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)來跨越。

預(yù)應(yīng)力混凝土多跨連續(xù)梁屬于超靜定結(jié)構(gòu)，為了讓梁體在縱橫向能夠變形以保證其不受到溫度和混凝土收縮等的影響，往往選取一個支承處的墩頂支座為固定支座，其他支承位置設(shè)為活動支座。這時墩頂縱橫向外力基本上為固定支座所承擔(dān)。而三線鐵路連續(xù)梁橋的上部質(zhì)量較大，地震作用對橋墩的影響尤其明顯，當(dāng)大部分地震力作用在固定墩上時，固定墩設(shè)計尺寸偏大，配筋量偏高。采用合理有效的減隔震措施能夠較大限度地減小橋梁在地震力工況下的荷載，同時能夠減小固定橋墩的尺寸，使地震力相對均勻地分布于各個主墩之上。本文采用MIDAS軟件模擬三線鐵路高墩車站橋梁上下部整體結(jié)構(gòu)并對橋梁是否采用減隔震措施進(jìn)行對比分析，為同類型橋梁設(shè)計提供參考。

2 橋梁概況

大臨鐵路羅閘河特大橋位于云南省臨滄市，跨越瀾滄江右岸一級支流的羅閘河，羅閘河車站坐落于大橋之上，所以，橋梁為三線鐵路車站橋梁。大橋全長586 m，跨越主要河道部分高橋，綜合比選了鋼梁與混凝土梁等方案，并從橋梁重要性和經(jīng)濟(jì)性考慮，孔跨最后采用2×32 m+（40+2×64+40）m連續(xù)梁+9×32 m的組合形式，同時在地震作用下，橋墩及樁基基礎(chǔ)彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計。大橋主橋的連續(xù)跨結(jié)構(gòu)部分，如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

2#、6#為簡支跨和連續(xù)跨的交界墩，采用與兩側(cè)三線簡支跨相匹配的剛架式橋墩。3#、4#、5#為主橋橋墩，處于主河道及河水漫灘區(qū)域，為減少阻水比采用圓端形空心墩。其中，4#墩為固定墩，3#、5#墩為活動墩。橋墩尺寸詳見表1。

表1 橋墩主要尺寸表m

上部連續(xù)梁采用單箱雙室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，支點部位梁高5.3 m，跨中部位梁高2.9 m，頂板寬度17 m，底板寬度11 m，為三線鐵路車站橋。連續(xù)梁上部及二期恒載質(zhì)量達(dá)到16 500 t，而3個主墩墩高分別達(dá)到61 m、69 m、69 m。橋墩受地震影響極大，因此，對本橋進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采取相應(yīng)措施減少地震力對橋墩的影響。

3 有限元模型及抗震設(shè)計

3.1 有限元計算模型

本項目計算單元模擬主橋上部連續(xù)梁共劃分106個單元，橋墩墩頂支座連同主橋橋墩樁基1 648個單元，同時利用m法[1]等代土彈簧的剛度，模擬樁基與土體之間的相互作用，能夠較準(zhǔn)確地計算出橋梁各部分的地震響應(yīng)。具體計算模型，如圖2所示。

圖2 計算模型圖

速度鎖定器與普通橋梁支座相結(jié)合（速度鎖定支座），在地震力快速作用下，能把橋梁上部傳給橋墩的力合理分配到多個橋墩上，從而改變僅由一個固定墩受力的狀況[3]。目前，我國已有相關(guān)速度鎖定器的工程應(yīng)用[4-7]及鎖定支座的設(shè)計與應(yīng)用的研究[8]，但用于三線鐵路的混凝土多跨高墩連續(xù)梁上的很少，需要進(jìn)一步分析抗震性及適用性。

本橋考慮在支座處增加速度鎖定裝置，并對采用速度鎖定支座減震裝置的羅閘河大橋應(yīng)用彈塑性有限元方法進(jìn)行地震響應(yīng)分析，比較是否施加速度鎖定支座兩種工況下的橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和位移。

3.2 速度鎖定支座及模擬

常見的速度鎖定支座如圖3所示。

圖3 速度鎖定支座

在正常情況下，梁體的蠕變或溫變帶動支座的底盆、滑動板之間產(chǎn)生緩慢的相對移動，只在制動力或地震荷載下執(zhí)行鎖定，連接活動主墩與梁體。

本橋設(shè)置速度鎖定支座時，支座布置如下所述：3#和5#墩布置速度鎖定支座，4#墩布置固定支座。速度鎖定支座采用彈性單元模擬，彈性剛度取5×105kN/m。

當(dāng)不設(shè)置速度鎖定支座做對比時：3#墩布置一個縱向型支座和一個多向型支座；4#墩布置兩個固定型支座；5#墩布置一個縱向型支座和一個多向型支座。

計算模型中的結(jié)構(gòu)阻尼采用Rayleigh阻尼，阻尼系數(shù)通過模型周期與橋梁阻尼系數(shù)計算得出。

3.3 地震參數(shù)選取

地震波輸入采用50 a發(fā)生概率2%的3條地震波（1#波、2#波、3#波）分別進(jìn)行計算。

4 計算結(jié)果

4.1 支座受力

表2和表3分別給出了橋梁分別在設(shè)置和不設(shè)置速度鎖定器（LUB）情況下，墩頂順橋向最大位移，以及不同地震波下支座最大縱向受力計算結(jié)果。

表2 墩頂縱向位移mm

表3 支座水平力kN

從表2和表3中可以看出，支座受力時LUB能夠分擔(dān)部分主墩所受水平力，并減小固定支座所受水平力以及位移值。而橋梁在不同地震波下響應(yīng)值的差別較大。

4.2 墩底受力

使用LUB前后，橋墩墩底的受力狀態(tài)對比，墩底彎矩見表4，墩底剪力見表5。

表4 墩底彎矩kN·m

表5 墩底剪力kN

從表4和表5中可以看出，使用LUB后固定墩墩底彎矩和剪力都有一定程度減小，使用LUB支座的3#和5#墩的墩底剪力和彎矩都相應(yīng)增大。

5 結(jié)語

1）混凝土高墩連續(xù)結(jié)構(gòu)，因為梁部質(zhì)量較大，固定墩受地震響應(yīng)較大，橋墩剛度難以滿足抗震規(guī)范要求。

2）通過速度鎖定裝置利用活動主墩分擔(dān)固定主墩的地震力，對縮減主墩的尺寸起到了較好的控制作用，能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3）對于高烈度地震區(qū)的三線鐵路高墩多跨混凝土連續(xù)梁橋，速度鎖定裝置能較好地解決主墩在地震力作用下位移過大的問題。