基于拉索-摩擦擺式支座的高速鐵路連續(xù)梁橋減隔震研究*

李守文,黃天立

(1.中建二局第一建筑工程有限公司華中分公司,湖南 長沙 410399; 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075)

0 引言

橋梁支座作為橋梁上部梁體與下部墩臺間的重要連接部件,不僅要將恒荷載和荷活載引起的上部結(jié)構(gòu)反力、變形(位移、轉(zhuǎn)角)等可靠傳遞給墩臺,而且在地震中,支座還需承受橋梁上、下部結(jié)構(gòu)之間傳遞的巨大地震力,其破壞將直接影響梁體及墩臺的安全性,導(dǎo)致梁體碰撞、落梁、橋梁垮塌等震害現(xiàn)象。減隔震技術(shù)是提高橋梁抗震性能的有效手段[1]。摩擦擺式減隔震支座(friction pendulum bearing,FPB)以其承載力強、具有自復(fù)位功能等特點,在橋梁抗震設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

國內(nèi)外許多專家學(xué)者對摩擦擺式減隔震支座進(jìn)行了研究。Jangid等[3-4]對近斷層下FPB支座的性能進(jìn)行了分析,并對其參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果表明:對于低摩擦系數(shù),在近斷層地震作用下,FPB支座存在明顯的滑動位移;針對不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)給出了FPB支座的最佳摩擦系數(shù)取值。占玉林等[5-6]研究了考慮栓釘作用情況下FPB支座隔震橋梁的地震響應(yīng),結(jié)果表明:在縱向地震動作用下,隨著摩擦系數(shù)的增大,墩底最大彎矩和墩頂最大位移不斷增大;隨著曲率半徑增大,主墩墩底彎矩逐漸減小;隨著栓釘抗力的增加,制動墩墩底最大縱向彎矩、墩頂最大縱向位移先保持不變后增長明顯。王傳坤等[7]進(jìn)行了基于FPB支座的高速鐵路連續(xù)梁橋減隔震研究,結(jié)果表明:軌道系統(tǒng)的約束作用會改變橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性與地震響應(yīng),放大墩底剪力橫向分配的不均勻性;適當(dāng)增大擋塊-墊石設(shè)計間距可確保FPB支座充分發(fā)揮隔震性能;結(jié)構(gòu)橫向地震響應(yīng)對FPB支座摩擦系數(shù)的變化較其球面半徑變化敏感,且摩擦系數(shù)取值為0.03～0.04較合理。陳克堅等[8]對采用FPB支座的雙線鐵路簡支梁橋適用墩高范圍進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:當(dāng)要求縱、橫向墩頂位移減隔震率大于55%,同時要求縱、橫向墩底彎矩減隔震率大于25%時,常用雙線鐵路簡支梁橋的適用墩高范圍取值為0～52m。

盡管FPB支座有很多優(yōu)點,但不能有效地限制墩、梁間相對位移,難以防止梁體碰撞和落梁等震害現(xiàn)象。針對這些問題,袁萬城等[9-10]提出一種在盆式橡膠支座基礎(chǔ)上增加拉索構(gòu)造的拉索減震支座,該支座具有原理簡單、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定和性價比高等優(yōu)點,已在公路和市政橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。借鑒拉索減震支座的特點,通過在摩擦擺式減隔震支座上增加拉索構(gòu)造,提出了一種新型拉索-摩擦擺式減隔震支座(cable friction pendulum bearing,CFPB),以某高速鐵路(60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋為工程背景,研究新型拉索-摩擦擺式支座用于高速鐵路連續(xù)梁橋減隔震的適用性。

1 新型拉索-摩擦擺式減隔震支座

1.1 設(shè)計理念

連續(xù)梁橋是高速鐵路橋梁工程中的主要形式之一,梁體的平衡位置在地震作用下會不斷發(fā)生變化,梁體與墩臺之間的相對位移難以控制,可能導(dǎo)致主梁發(fā)生落梁。雖然可以在固定墩上設(shè)置抗震銷或在縱向設(shè)置抗震擋塊來加強固定支座,強行保證其安全,但這樣做會使固定墩承受較大的地震力,產(chǎn)生較大的塑性變形,甚至導(dǎo)致固定墩發(fā)生地震破壞,給震后修復(fù)工作帶來巨大困難[11]。

鑒于以上原因,借鑒拉索減震支座的特點,通過在摩擦擺式減隔震支座上增加拉索構(gòu)造,提出了一種新型拉索-摩擦擺式減隔震支座,固定型拉索-摩擦擺式減隔震支座的構(gòu)造如圖1所示。從圖1可以看出,固定型拉索-摩擦擺式減隔震支座主要由球型支座、摩擦擺式底座、拉索和抗剪螺栓等組成。在小震和中震作用下,CFPB支座可保持固定支座的正常使用功能;在罕遇地震作用下,CFPB支座的抗剪螺栓被剪斷,其功能轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)摩擦擺式減隔震支座;當(dāng)CFPB支座的位移過大時,通過拉索予以限制[12]。通過合理設(shè)計CFPB支座參數(shù),使支座不僅能滿足靜力作用下的使用性能,而且在強震作用下能有效減小固定墩的受力,有效限制墩、梁間相對位移,防止落梁。

圖1 拉索-摩擦擺式減隔震支座的構(gòu)造示意Fig.1 Sketch of the cable friction pendulum bearing

1.2 性能目標(biāo)

1) 正常使用時,拉索不起作用,拉索-摩擦擺式減隔震支座與普通球型支座相同。

2) 在遭遇小震和中震作用時,支座的抗剪螺栓原則上不允許剪斷,避免震后更換支座。

3) 在遭遇罕遇地震作用時,支座的抗剪螺栓被剪斷,支座轉(zhuǎn)變?yōu)槔?摩擦擺式減隔震支座,利用球面四氟滑板和減震球擺之間的滑動隔離上下部結(jié)構(gòu),減少地震力的傳遞,并利用摩擦和結(jié)構(gòu)動能與勢能之間的轉(zhuǎn)化耗散能量;同時由拉索限制支座產(chǎn)生的過大水平位移,并通過結(jié)構(gòu)自重與拉索共同提供恢復(fù)力。

2 CFPB支座的設(shè)計參數(shù)

2.1 滑道曲率半徑

根據(jù)相關(guān)資料,CFPB支座滑道曲率半徑的取值范圍為0.5～9.0m。支座自振周期可根據(jù)式(1)計算:

(1)

式中:T為支座的自振周期(s);R為支座滑道曲率半徑(m);g為重力加速度,取值為9.8m/s2。

2.2 摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)μ取值一般為0.01～0.06,可根據(jù)產(chǎn)品的試驗曲線確定。

2.3 拉索長度

根據(jù)幾何關(guān)系[12],可得到拉索長度L的計算公式如下:

(2)

(3)

式中:Lxy為拉索在水平面的投影長度;L為拉索的實際長度;H為支座的總高度;A,B分別為頂板的長和寬;C,D分別為底板的長和寬;δx,δy分別為支座縱向和橫向設(shè)計水平位移。

2.4 拉索剛度

根據(jù)材料力學(xué)知識,拉索剛度K2可按式(4)計算:

(4)

式中:E為拉索的彈性模量;A為拉索的截面面積;L為拉索的長度。

2.5 抗剪螺栓的剪切強度

根據(jù)GB/T 17955—2009《橋梁球型支座》第4.1.2條規(guī)定:固定支座和單向活動支座非滑移方向的水平承載力均不應(yīng)小于豎向設(shè)計承載力的10%,即要求抗剪螺栓的剪切強度應(yīng)大于豎向設(shè)計承載力的10%,同時為了保證地震作用下抗剪螺栓能被順利剪斷,要求其剪切強度不能太大。因此,抗剪螺栓的剪切強度宜取10%～20%的豎向承載力,這樣既可保證在正常使用和中、小地震作用時支座保持固定,又能在橋梁遭遇罕遇地震時,抗剪螺栓能被順利剪斷,支座轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ翑[式減隔震支座,減小下部結(jié)構(gòu)所受的地震作用。

2.6 自由行程

CFPB支座的自由行程是指拉索開始作用時支座的水平位移,反映拉索的松弛程度。一般情況下,自由行程的取值原則為[13]: ①要大于溫度產(chǎn)生的伸縮量,保證正常使用時支座的自由變形; ②要小于地震作用下支座抗剪螺栓全部剪斷后產(chǎn)生的墩梁相對變形; ③同一聯(lián)橋梁各支座的自由行程應(yīng)相同。

2.7 恢復(fù)力模型

圖2a～2c分別為抗剪螺栓、摩擦擺式減隔震支座和拉索的恢復(fù)力模型。其中K0為抗剪螺栓剛度,K1為摩擦擺式減隔震支座的彈性剛度,K2為拉索剛度。圖2d為帶抗剪螺栓的拉索-摩擦擺式減隔震支座恢復(fù)力模型[14],其中u0為抗剪螺栓失效時的位移,u1為帶抗剪螺栓的拉索-摩擦擺式減隔震支座的自由行程。帶抗剪螺栓的拉索-摩擦擺式減隔震支座恢復(fù)力模型由抗剪螺栓、摩擦擺式減隔震支座和拉索的恢復(fù)力模型疊加而成。當(dāng)支座上下座板間的相對位移u≤u0時,抗剪螺栓未被剪斷,支座功能與普通固定支座相同;當(dāng)u0u1時,拉索開始發(fā)揮限位作用。

圖2 恢復(fù)力模型Fig.2 Restoring force model

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

以某高速鐵路(60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋為工程背景,該橋主梁為雙線單箱單室、變高度、變截面箱梁,采用C60混凝土。箱梁頂寬12.0m,底寬6.7m,中支點處梁高7.85m。鄰跨結(jié)構(gòu)為32m的簡支箱梁,梁高3.05m。橋墩為圓端形實體墩,邊墩高22.5m,中墩高30.5m,采用C40混凝土,HRB400鋼筋,縱筋直徑為25mm,箍筋直徑為10mm。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁,邊墩采用10根直徑1.25m、長16m的樁基,中墩采用10根直徑2m、長25m的樁基。該橋的立面和支座布置如圖3所示。

圖3 某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋及其支座布置(單位:m)Fig.3 Layout of a pre-stressed concrete continuous box girder bridge and its bearings(unit:m)

3.2 有限元模型建立

采用MIDAS Civil有限元軟件建立全橋三維有限元模型,如圖4所示,其中主梁、橋墩采用梁單元模擬,橋墩潛在塑性鉸區(qū)采用彈塑性纖維單元模擬;樁土相互作用模擬采用“m”法,用土彈簧模擬土體作用,用梁單元模擬樁;普通盆式支座采用MIDAS Civil中的一般彈性支撐進(jìn)行模擬;帶抗剪螺栓的拉索-摩擦擺式減隔震支座采用MIDAS Civil程序自帶的摩擦擺式隔震裝置和“鉤”兩者并聯(lián)組合模擬,其中摩擦擺式隔震裝置模擬摩擦擺式球型隔震支座,“鉤”模擬拉索,關(guān)于抗剪螺栓,目前在MIDAS中還無法實現(xiàn)具體模擬,因此,先假定抗剪螺栓不發(fā)生破壞,若計算所得支座剪力超過其設(shè)計抗剪承載力,則按抗剪螺栓失效的方式進(jìn)行考慮。

圖4 全橋有限元模型Fig.4 Finite element model of the bridge

3.3 地震動輸入

本工程抗震設(shè)防烈度為8度,地震動峰值加速度值A(chǔ)g=0.20g,場地類別為II類,特征周期分區(qū)為一區(qū),地震動反應(yīng)譜特征周期Tg=0.35s。為研究罕遇地震作用下拉索-摩擦擺式減隔震支座的工作性能,本文將工程抗震設(shè)防烈度取為9度,地震動峰值加速取為Ag=0.40g,其他參數(shù)不變。

地震動加速度時程采用MIDAS Civil自帶的3條實測地震動記錄,分別為1979年的James RD Centro地震動記錄、1940年的El Centro地震動記錄和1971年的San Fernando地震動記錄,經(jīng)幅值調(diào)整后得到的輸入地震動時程曲線如圖5所示。

圖5 地震動加速度時程曲線Fig.5 Acceleration time history of seismic wave

4 CFPB支座的減震性能分析

為驗證拉索-摩擦擺式減隔震支座的減震效果,建立了4種模型。

1)模型1 22號固定墩采用固定盆式支座,其余墩均采用活動盆式支座,地震作用下固定盆式支座的抗剪螺栓不被剪斷。

2)模型2 22號固定墩采用固定盆式支座,其余墩均采用活動盆式支座,地震作用下固定盆式支座的抗剪螺栓被剪斷。

3)模型3 22號固定墩采用固定型FPB支座,其余各墩均采用活動型FPB支座,地震作用下固定型FPB支座的抗剪螺栓被剪斷。

4)模型4 22號固定墩采用固定型CFPB支座,其余墩均采用活動型CFPB支座,地震作用下固定型CFPB支座的抗剪螺栓被剪斷。

在模型4中,拉索剛度的取值為K2=3×105kN/m,支座的自由行程取值為0.1m,支座滑動靜、動摩擦系數(shù)分別取0.04和0.03,邊墩和中墩支座曲率半徑分別取3m和6m。

4.1 不同地震動時程影響分析

為分析地震動頻譜特性對支座地震響應(yīng)效果的影響,圖6所示為3條不同地震波輸入下,模型4結(jié)構(gòu)的墩、梁間相對位移、固定墩墩底彎矩和剪力。從圖6可以看出,經(jīng)過調(diào)幅后,雖然輸入的3條地震動時程曲線的加速度峰值相同,但在其作用下,各橋墩的墩、梁間相對位移、墩底彎矩和墩底剪力均存在差別。由此表明:地震動的頻譜特性對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有很大影響。因此,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析時,應(yīng)選取多組地震動時程進(jìn)行結(jié)果對比。本文此后章節(jié)描述地震動響應(yīng)分析時,均取3組地震動時程計算結(jié)果的最大值進(jìn)行分析。

圖6 不同地震動時程影響分析Fig.6 The seismic responses of bridge under different earthquake actions

4.2 CFPB支座減震效果分析

為研究CFPB支座的減震效果,表1給出了3條不同地震波輸入下,4種模型計算結(jié)果的最大值。

表1 CFPB支座減震效果分析Table 1 The seismic isolation effect of the bridge by using the cable friction pendulum bearings

1)模型1 采用固定盆式支座,由于地震作用下其抗剪螺栓未被剪斷,固定墩墩底將承受較大的剪力和彎矩。對于模型4,采用CFPB支座,固定型CFPB支座在抗剪螺栓剪斷后變成滑動支座,固定墩墩底剪力和彎矩下降,比模型1分別下降71.96%和18.90%。由此表明:CFPB支座可取得較好的隔震效果,墩、梁間相對位移也可得到較好控制。

2)對于模型2,采用固定型盆式支座,由于其抗剪螺栓被剪斷,各橋墩的墩、梁間相對位移很大,最大值1.508m,將發(fā)生落梁震害。對于模型4,采用CFPB支座,各橋墩的墩、梁間相對位移均較小,沒有發(fā)生落梁的危險。此外,模型4中固定墩墩底內(nèi)力也有一定程度降低。由此表明:拉索-摩擦擺式減隔震支座可顯著降低固定墩所承受的地震力,同時具有良好的限位能力,可有效防止落梁。

3)對于模型3和4,采用CFPB支座后,各橋墩的墩、梁間相對位移分別減小了20%,57.45%,56.69%和31.25%。采用CFPB支座后,固定墩墩底剪力降低,墩底彎矩二者相差不大。由此表明:CFPB支座的減隔震性能優(yōu)于FPB支座。

綜上可知,CFPB支座的減隔震效果優(yōu)于FPB支座,同時該支座具有較好的限位能力,可有效防止落梁。

5 參數(shù)分析

5.1 拉索剛度

選取支座自由行程為0.1m,其他參數(shù)不變,將CFPB支座的拉索剛度K2設(shè)為從0～6×105kN/m變化,沿橋梁結(jié)構(gòu)縱向輸入經(jīng)調(diào)整后的3條地震動時程,計算得到20號邊墩的墩、梁間相對位移、22號固定墩的墩底彎矩和剪力與拉索剛度的變化曲線,如圖7所示。

圖7 墩、梁間相對位移、墩底彎矩和剪力與拉索剛度的關(guān)系曲線Fig.7 The relational curves between the relative displacement at the pier and the girder, the pier moment and shear force at the bottom and the cable stiffness

從圖7可以看出,拉索剛度K2在0～6×105kN/m范圍內(nèi)變化時,20號邊墩的墩、梁間相對位移隨拉索剛度的增大而減小;22號固定墩的墩底彎矩隨拉索剛度的增大而增大,墩底剪力隨拉索剛度的增大先迅速減小,而后趨于穩(wěn)定?？紤]到控制固定墩所承受的地震力和控制墩、梁間的相對位移兩方面的要求,建議在類似高速鐵路三跨連續(xù)梁橋中采用CFPB支座時,其拉索剛度的合理取值為3×105～5×105kN/m。

5.2 支座自由行程

選取拉索剛度為4×105kN/m,其他設(shè)計參數(shù)不變,將CFPB支座的自由行程設(shè)為從0.04～0.14m變化,沿橋梁結(jié)構(gòu)縱向輸入調(diào)整后的3條地震動時程,計算得到20號邊墩的墩、梁間相對位移、22號固定墩墩底彎矩和剪力與支座自由行程的變化曲線,如圖8所示。

圖8 墩、梁間相對位移、墩底彎矩和剪力與支座自由行程的關(guān)系曲線Fig.8 The relational curves between the relative displacement at the pier and the girder, the pier moment and shear force at the bottom and the free stroke of CFPB

從圖8可以看出,支座自由行程的變化對20號邊墩的墩、梁間相對位移、22號固定墩的墩底彎矩和剪力的影響較小。根據(jù)支座和橋梁的實際情況,在類似高速鐵路三跨連續(xù)梁橋中采用CFPB支座時,支座縱向自由行程取0.10～0.12m較合適。

5.3 支座布置方式

為分析是否有必要全橋均設(shè)置拉索-摩擦擺式減隔震支座,建立2種對比模型:①模型5 22號固定墩處設(shè)置固定型CFPB支座,其余各墩處設(shè)置活動型CFPB支座;②模型6 22號固定墩處設(shè)置固定型CFPB支座,其余各墩處設(shè)置普通活動型盆式支座。在模型5和模型6中,CFPB支座的拉索剛度均取K2=4×105kN/m,自由行程均設(shè)為0.10m,其余參數(shù)相同。沿橋梁結(jié)構(gòu)縱向輸入調(diào)整后的3條地震動時程,計算得到各橋墩的墩、梁間相對位移、墩底彎矩和剪力,如圖9所示。模型5中各橋墩的墩、梁間相對位移均小于模型6中各橋墩的墩、梁間相對位移,相差45～65mm;模型5中各橋墩的墩底彎矩均小于模型6中各橋墩的墩底彎矩,相差16 000～50 000kN·m;模型5中各橋墩的墩底剪力均小于模型6中各橋墩的墩底剪力,最小相差2 351kN,最大相差19 512.2kN。此外,模型5中各橋墩的剪力分布較模型6中各橋墩的剪力分布更均勻。

圖9 CFPB支座布置方式與橋梁地震響應(yīng)的關(guān)系Fig.9 Relationship between the arrangements of CFPB and the seismic responses of bridges

由此表明:對于具有高低墩的高速鐵路大跨度連續(xù)梁橋,為使各橋墩的墩、梁間相對位移、墩底彎矩和剪力值更佳,獲得更好的減隔震效果,此類連續(xù)梁橋可采用固定墩處設(shè)置固定型CFPB支座,其余墩處設(shè)置活動型CFPB支座的支座布置方式。

5.4 抗剪螺栓

鑒于MIDAS軟件不能模擬支座抗剪螺栓作用,為研究CFPB支座的抗剪螺栓對橋梁地震響應(yīng)的影響,建立2種分析對標(biāo)模型:①模型7 22號固定墩處設(shè)置固定型CFPB支座,假設(shè)抗剪螺栓剛度無限大,地震作用下不被剪斷,其余各墩處設(shè)置活動型CFPB支座;②模型8 22號固定墩處設(shè)置固定型CFPB支座,假設(shè)抗剪螺栓剛度為0,地震作用下被剪斷,其余各墩處設(shè)置活動型CFPB支座。在模型7和模型8中,CFPB支座的拉索剛度取值均為K2=4×105kN/m,自由行程取值均為0.10m,其余參數(shù)相同。

沿橋梁結(jié)構(gòu)縱向輸入調(diào)整后的3條地震動時程,計算得到各橋墩處墩、梁間相對位移、墩底彎矩和剪力如圖10所示?？梢钥闯?考慮抗剪螺栓后,各橋墩的墩、梁間相對位移減小,各橋墩的墩底彎矩和剪力增大,抗剪螺栓對固定墩的地震響應(yīng)影響大于其他橋墩。

圖10 CFPB支座抗剪螺栓設(shè)置與橋梁地震響應(yīng)的關(guān)系Fig.10 Relationship between the settings of the shear bolts CFPB and the seismic responses of bridges

6 結(jié)語

提出了一種新型拉索-摩擦擺式支座,研究其應(yīng)用于高速鐵路連續(xù)梁橋減隔震的效果,分析了支座拉索剛度、自由行程、布置方式和抗剪螺栓設(shè)置等設(shè)計參數(shù)對橋梁地震響應(yīng)的影響規(guī)律,結(jié)論如下。

1)CFPB支座的減隔震效果優(yōu)于FPB支座,同時具有較好的限位能力,可有效防止梁體碰撞和落梁等震害。

2)隨著CFPB支座拉索剛度的增大,墩、梁間相對位移減小,墩底彎矩增大,墩底剪力先迅速減小,后趨于穩(wěn)定,拉索剛度的合理取值范圍為3×105～5×105kN/m;支座自由行程的變化對墩、梁間相對位移、固定墩墩底彎矩、固定墩墩底剪力的影響均很小,自由行程的合理取值范圍為0.10～0.12m。

3)在高速鐵路連續(xù)梁橋中可采用“一個固定墩處設(shè)置固定型CFPB支座,其余墩處設(shè)置活動型CFPB支座”的支座布置方式。

4)考慮抗剪螺栓后,各橋墩的墩、梁間相對位移減小,各橋墩的墩底彎矩、墩底剪力增大,抗剪螺栓對固定墩的地震響應(yīng)影響大于其他橋墩。