考虑碰撞效应的铁路隔震桥梁非线性地震反应

唐 峰 肖质江 王 炎

(1.金华市交通规划设计院有限公司，浙江金华 321005;2.浙江理工大学建筑工程学院，浙江杭州 310018)

1 概述

地震作为自然灾害之一，严重危害到人们的生命及国家财产安全。历次地震灾害表明，地震将导致大量的桥梁倒塌，给抢险救灾带来严重的影响［1-4］。中国高速铁路桥梁建设取得了实质性进展，铁路桥梁作为铁路交通的咽喉，在现代运输体系中至关重要。采用隔震支座对桥梁进行隔震设计，可以在地震时有效地控制桥梁地震力和位移，可使桥梁结构在经历强震后仍能满足桥梁安全和功能要求。合理的桥梁隔震设计，可以使隔震支座在限制地震力传递的同时，满足大位移的要求［5］。

本文以某高速铁路客运专线上采用摩擦摆式支座的32 m简支梁桥为对象，用有限元软件模拟分析了该桥的纵向地震反应，讨论了减隔震支座的减震性能及碰撞效应对结构的影响。

2 结构概况

图1为某新建铁路客运专线上采用摩擦摆式支座的双线特大桥总体布置图，该桥的孔跨布置为24×32 m，采用预应力混凝土简支箱梁桥结构，截面为单箱单室等高度箱梁，梁端顶板、底板及腹板局部向内侧加厚。桥梁宽12.0 m，桥梁建筑总宽12.28 m。箱梁标准断面图见图2。

3 有限元计算模型

根据设计意图，在地震作用下上部结构和桥墩保持弹性状态，故桥墩和主梁均采用线性梁单元模拟;桥墩下端采用固定约束，忽略土与结构之间的相互作用;桥墩与箱梁之间的减隔震支座以及支座的碰撞效应均采用非线性弹簧单元模拟。全桥计算模型共用520个线弹性梁单元和406个支座弹簧单元。图3为结构有限元计算模型示意图。

图4为摩擦摆式支座的力学模型，它是利用球面滑动提供恢复刚度和摩擦耗能，当滑块离开中心点时，受到的水平分力F为:

当θ较小时，水平分力可近似为:

其中，W为支座竖向反力;D为水平摆动距离;R为滑动面曲率半径;μ为滑动面摩擦系数;θ为中心滑块位置摆角。

根据本桥设计参数得到的减震支座荷载—位移曲线如图5所示。图中，Fy为支座屈服力;K1，K2分别为支座的一次和二次刚度［6］。

考虑到地震动作用下，支座位移有可能超出支座的最大限位而发生碰撞现象。为此，本文计算分析的计算中考虑碰撞效应，在有限元计算模型中模拟了碰撞弹簧。碰撞弹簧采用双直线计算模型，二次刚度取支座弹簧二次刚度的50 000倍，如图6所示为限位30 mm的碰撞弹簧的荷载—位移力学模型。为得出规律性结果，本文分析了屈服位移分别为20 mm，30 mm，40 mm，50 mm四种工况，这几种屈服位移对应的屈服力均为0.000 1 kN。

4 地震动选择

本文在进行非线性地震反应分析时，地震荷载沿桥的纵向分别施加在每个桥墩的底部节点上。图7给出了输入地震动的加速度时程图，图中的横坐标为时间T，竖坐标为地震动加速度时程A。地震动加速度反应谱如图8所示，从图8可以看出，计算分析选取的地震动与设计目标反应谱基本吻合，可以较好的反映结构所处场地的地震特性。

5 计算结果

为对比分析减隔震支座的减隔震效果，图9给出了采用摩擦摆式支座和采用普通支座两种不同结构的墩顶最大位移计算结果。图中竖坐标为采用减隔震支座的结构墩顶最大位移与采用非减隔震支座的结构墩顶最大位移之比(Ds/D0)，横坐标为桥墩编号。从图中的数据可以看出:考虑支座限位引起的碰撞效应后，所有桥墩墩顶横向位移均呈增大趋势，限位越小，增大越明显。相对于普通支座来说，大部分墩顶位移还是呈减小趋势，个别桥墩墩顶位移呈增大趋势。支座限位为20 mm时，墩顶位移与普通支座的计算结果的比值在52.65%～29.91%变化，个别桥墩的最大比值达到221.74%;支座限位为30 mm时，比值在73.38%～18.58%变化，个别桥墩的最大比值达到204.35%;支座限位为40 mm时，比值在85.75%～8.70%变化，个别桥墩的最大比值达到313.04%;支座限位为50 mm时，比值在16.67%～5.60%变化。

图10给出了采用摩擦摆式支座和普通支座两种不同结构的墩底最大剪力计算结果。图中竖坐标为采用减隔震支座的结构墩底最大剪力与采用非减隔震支座的结构墩底最大剪力之比(Fs/F0)，横坐标为桥墩编号。从图中的数据可以看出:考虑支座限位引起的碰撞效应后，所有桥墩墩底剪力均呈增大趋势，限位越小，增大越明显。相对于普通支座来说，大部分桥墩墩底剪力还是呈减小趋势，个别桥墩墩底剪力呈增大趋势。支座限位为20 mm时，墩底剪力与普通支座的计算结果的比值在88.36%～38.86%变化，个别桥墩的最大比值达到226.74%;支座限位为30 mm时，比值在85.06%～23.45%变化，个别桥墩的最大比值达到305.09%;支座限位为 40 mm 时，比值在 96.13%～10.56%变化，个别桥墩的最大比值达到317.33%;支座限位为50 mm时，比值在 34.62%～8.66%变化。

图11给出了采用普通支座和摩擦摆式支座两种不同结构的墩底弯矩计算结果。图中竖坐标为采用减隔震支座的结构墩底最大弯矩与采用非减隔震支座的结构墩底最大弯矩之比(Ms/M0)，横坐标为桥墩编号。从图可以看出:考虑支座限位引起的碰撞效应后，所有桥墩墩底弯矩均呈增大趋势，限位越小，增大越明显。相对于普通支座来说，大部分桥墩墩底弯矩还是呈减小趋势，个别桥墩墩底弯矩呈增大趋势。支座限位为20 mm时，墩底弯矩与普通支座的计算结果的比值在76.80%～32.02%变化，个别桥墩的最大比值达到225.95%;支座限位为30 mm时，比值在67.71%～20.35%变化，个别桥墩的最大比值达到204.93%;支座限位为40 mm时，比值在97.41%～8.77%变化，个别桥墩的最大比值达到315.23%;支座限位为50 mm时，比值在20.19%～6.26%变化。

6 结语

本文以某高速铁路客运专线上采用摩擦摆式支座的32 m简支梁桥为对象，建立了考虑支座碰撞效应的非线性三维有限元计算模型，并对其进行地震时程反应分析，得到以下几点结论:

1)地震动作用下，采用摩擦摆式支座后，桥梁墩顶纵向位移显著减小。但是随着墩顶纵向位移的减小，支座相对位移却大大增大，超出支座的限位。

2)考虑支座的碰撞效应后，所有支座的相对位移均满足支座的限位要求，但是墩顶位移及墩底内力均有增大趋势，特别是个别桥墩的墩顶位移及墩底内力较采用普通支座的结构地震响应有放大现象。

3)随着支座限位的增大，墩顶位移及墩底内力均呈减小趋势。

［1］张向民，陈秀方.无缝线路轨道稳定性简便计算方法［J］.铁道学报，2007(1):124-126.

［2］薛素铎，赵 伟，李雄彦.摩擦摆支座在单层球面网壳结构中的隔震分析［J］.世界地震工程，2007(2):41-45.

［3］杨风利，钟铁毅，夏 禾.铁路简支梁桥减隔震支座设计参数的优化研究［J］.铁道学报，2006(3):128-132.

［4］韩 艳，夏 禾.地震作用下高速铁路桥梁的动力响应及行车安全性研究［J］.中国铁道科学，2006(3):136-138.

［5］张 辉.大跨度预应力混凝土铁路连续梁桥地震响应及减隔震研究［D］.长沙:中南大学，2008.

［6］王 炎，谢 旭，申永刚.近场地震作用下铁路减震桥梁地震响应研究［J］.铁道学报，2012(12):102-109.