长联大跨连续梁桥减隔震设计方案比选

李 侠

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

近年，铁路跨越较大河流及道路等复杂地形，往往依据通航、防洪、立交等多方面要求采用多跨连续梁桥的结构形式，该类型结构为避免由于约束混凝土收缩徐变和温度变形而产生过大的附加应力，通常在纵桥向只设一个固定支座;而在纵向地震力作用下，固定墩几乎承受了全联所有纵向地震力，且铁路桥梁墩身刚度大，地震作用下很难进入塑性状态，因此选择合适的抗震设计方案至关重要[1]。减隔震设计是桥梁抗震设计的新思路，它通过采用减隔震装置来尽可能地将结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来，大大减少传递到上部结构的地震力和能量[2]。本文以抗震设防烈度Ⅶ度的铁路桥(65+5×108+65)m连续梁桥为研究对象，分析研究了几种减隔震方案应用于实际桥梁结构的减隔震效果，并对几种方案进行了对比分析。

1 工程背景

该桥为一单线(65+5×108+65)m铁路桥梁，联桥长669.5 m。主梁为预应力混凝土箱梁，采用单箱单室变高度直腹板箱形截面，中支点梁高8.4 m，跨中及边跨现浇段梁高4.8 m，梁底曲线为1.8次抛物线，箱梁顶宽7.5 m，底宽5.8 m，全联共24 720 t。主墩高度10.5 m，边墩高度分别为13.8，15.3 m，固定墩采用5.4 m×7.5 m圆端形实体桥墩，16根φ180 cm桩基;活动墩采用4.4 m×6.5 m圆端形实体桥墩，16根φ150 cm桩基;边墩采用3.0 m×5.5 m圆端形实体桥墩，9根φ150 cm桩基。地质条件为:地面至14 m范围内为粉砂层，其下全部为粉质黏土层。桥址处地震动峰值加速度0.15g，地震动反应谱特征周期Tg=0.40 s，特征分区为一区，场地类别为Ⅲ类。

2 有限元模型

2.1 地震波的选取

正确选择输入的地震加速度时程曲线，要满足地震动的三要素，即频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规定[3]。本文选取1940，El Centro Site天然地震波为计算输入波，特征周期0.51 s，峰值加速度0.36g。

2.2 有限元模型的建立

采用Midas/Civil 2012建立了该桥的空间有限元模型[4]，主梁、桥墩均采用空间梁单元模拟，桩基和土的相互作用根据文献[5]采用承台底六个自由度的弹簧刚度模拟桩土相互作用，弹簧数值“m”根据文献[6]确定，但是土的抗力取值比静力大，一般m动=(2～3)m静。分析中采用同时考虑质量矩阵和刚度矩阵的瑞利阻尼，阻尼比为0.05。全桥有限元模型如图1所示。

图1 全桥空间有限元模型

3 基本减隔震方案

3.1 采用双曲面球型减隔震支座

双曲面球型减隔震支座是一种滑动摩擦摆支座，该支座是在普通球型支座的基础上，用大半径球面摩擦副取代平面摩擦副，并设置抗剪销而形成的一种新型支座，构造示意如图2所示[7]。当地震发生且水平力超过给定值时，抗剪销被剪断，支座的水平限位约束被解除，大半径球面摩擦副水平向即可自由滑动，从而地震产生的能量在动能和势能之间反复转换;同时，在滑移的过程中，摩擦阻力逐渐消耗地震能量。这样，既延长了地震周期(达到减震的效果)，而且势能又可形成恢复力，使支座复位。双曲面减隔震支座可以用等效线性化模型模拟，其滞回曲线如图3所示。

图2 双曲面减隔震支座构造示意

图3 双曲面减隔震支座滞回曲线

图3中，支座侧向力F为恢复力和摩阻力之和

支座克服摩擦滑动后水平刚度(屈后刚度)

支座等效刚度

支座等效阻尼比

以上各式中:W为支座承受的竖向荷载，D为支座设计水平位移，μ为摩擦系数，R为滑动面的曲率半径。

限于篇幅，经比选后，针对该桥选择支座承载力为5 000 kN和30 000 kN，球面半径分别为2.2 m和5.5 m，摩擦系数0.025。

3.2 采用液体黏滞阻尼器

液体黏滞阻尼器主要是利用黏弹性材料的剪切流动耗能特性来增加结构的阻尼，减小结构的响应幅度，通过在几个活动支座处配合使用黏滞阻尼器来实现结构减震。其实质是在基本抗震设计基础之上进行等二道防线配置，应用较为普遍，有不少工程实例。计算模型中阻尼器用Maxwell模型来模拟。阻尼力与速度的关系表达式为

式中:f为阻尼力;sign为符号函数;v为相对速度;C为阻尼系数;α为速度指数。阻尼系数C的取值对阻尼力f的影响很大，速度指数α的取值直接决定阻尼器滞回曲线的形状。速度指数α的常用值一般在0.3～1.0之间，α的取值越小，滞回曲线的形状越接近于矩形，即滞回曲线越饱满，其耗能能力越强，同时控制位移的能力也越强。本文模型中阻尼系数C=3 000，α=0.5，在每个活动墩两侧各设置2个阻尼器。

3.3 同时采用双曲面减隔震支座和液体黏滞阻尼器

双曲面减隔震支座通过在地震中解除纵向约束，在水平方向沿球面自由滑动将动能与势能转化来消耗地震能量，通常具有较大的位移，但减震效果较好;阻尼器则是通过增加结构阻尼减小结构响应幅度减震，但是对位移有较好的限制作用(通常在长大桥梁中应用较多)。通常减隔震装置均单独使用，共同使用的情形研究较少。作为一种尝试，分析计算了同时采用两种减隔震装置共同作用的效果。

4 不同设计方案比选

4.1 有限元分析结果

根据计算模型及地震动输入，采用非线性动力时程分析方法进行地震响应分析。本文仅研究纵桥向的减隔震性能，因此仅以第一条波为例按纵向输入地震力。分析时考虑5种减隔震方案工况。

工况1:作为计算结果的对比，按传统抗震方式，不考虑减隔震装置，计算中不考虑由于桥墩开裂刚度退化等因素。

工况2:仅在固定墩设置减隔震支座，其他桥墩设置普通活动支座。

工况3:在所有桥墩上设置减隔震支座。

工况4:在工况1基础上，在主跨活动墩设置黏滞阻尼器，每处设置2个，每个桥墩共设置4个。

工况5:在工况2基础上，在主跨活动墩设置黏滞阻尼器，每处设置2个，每个桥墩共设置4个。

图4为不同工况下的地震反应，其中位移选取梁端最大地震位移进行研究。从图4可以看出:

图4 不同工况下地震反应

1)采用黏滞阻尼器对结构自振周期几乎无影响，这与黏滞阻尼器的减震实质是一致的;使用单个减隔震支座和采用减隔震支座与阻尼器配合使用均能延长结构的周期，若全桥均使用减隔震支座，结构周期延长44%。

2)采用减隔震支座对固定墩墩底弯矩均有明显减震效果，对活动墩墩底弯矩均有增加;采用阻尼器装置对固定墩墩底弯矩减小幅度不及减隔震支座，其减震率约46%，工况4和工况5对活动墩墩底弯矩增加明显，说明地震中由于阻尼器参与工作，活动墩与固定墩联合参与受力，因此增加幅度大于其他工况，但各工况增加幅度均在可接受范围内。

3)工况2梁端位移最大，这是因为地震作用下由于活动墩在纵向的约束作用甚微，固定墩承受剪力过大，支座抗剪销失效后沿支座球面自由滑动消耗地震能量。同时由于活动墩对纵向无限位作用，上部结构质量过大，仅固定支座无法限制结构纵向位移，导致纵向位移已超过支座设计位移。设计中应增加其他防落梁限位措施。

4)使用阻尼器对梁端位移控制较好;各墩均采用减隔震支座对梁端位移也有一定限制，由于所有墩同时参与减震耗能，基本能满足支座设计最大位移，有一定防落梁功能。

4.2 方案比选结论

1)固定墩设置双曲面减隔震支座能明显减小桥墩内力，多个桥墩设置减隔震支座效果要优于仅在固定墩顶设置减隔震支座。

2)仅固定墩设置减隔震支座，一旦限位销剪断会产生一定的屈后位移，设计中需要考虑其他抗震限位措施和构造细节以满足工程实用要求。当然，这在一定程度上增加了造价。

3)单独采用阻尼器能很好地控制结构位移，且能将固定墩内力减小约50%左右，活动墩内力增加也在可控范围内。

4)同时使用两种减隔震装置能更好地发挥减隔震作用，大幅减小桥墩内力，同时限制结构位移。

5 结语

传统的结构抗震设计方法是依靠增加结构构件的尺寸、配筋从而提高结构自身的强度、变形能力来抗震的，尽管通过适当选择塑性铰的发生顺序和细部延性设计，可以防止结构的倒塌，但结构构件的损伤不可避免。采用适当的减隔震措施能大大减少传递到上部结构的地震力和能量，提高结构的抗震性能。

采用阻尼器和双曲面减隔震支座两种组合减隔震措施后，能同时发挥两种装置的优点，大幅减小结构地震反应。但这两种装置的参数应合理选择，二者是否能同步协调工作还有待研究。

[1]杨智玲.铁路钢筋混凝土连续梁桥静力弹塑性抗震分析[J].铁道建筑，2011(6):25-27.

[2]范立础，王志强.桥梁减隔震设计[M].北京:人民交通出版社，2001.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[4]迈达斯技术有限公司.分析设计原理[Z].北京:迈达斯技术有限公司，2008.

[5]中华人民共和国交通运输部.JTG/T B02-01—2008 公路桥梁抗震设计细则[S].北京:人民交通出版社，2008.

[6]中华人民共和国铁道部.TB 10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2005.

[7]彭天波，李建中，范立础.双曲面球型减隔震支座的开发及应用[J].同济大学学报:自然科学版，2007(2):176-180.