采用摩擦摆支座及U型钢防落梁装置的高速铁路简支箱梁桥地震响应敏感性分析

臧晓秋，曹志峰，吴成亮

(1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2．株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007; 3．武汉鑫拓力工程技术有限公司，湖北武汉430074)

采用摩擦摆支座及U型钢防落梁装置的高速铁路简支箱梁桥地震响应敏感性分析

臧晓秋1，曹志峰2，吴成亮3

(1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2．株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007; 3．武汉鑫拓力工程技术有限公司，湖北武汉430074)

以高速铁路简支箱梁桥隔震研究为例，建立了采用摩擦摆支座与U型钢防落梁装置组合地震保护方案的全桥地震响应分析模型，针对支座位移、墩底剪力、墩底弯矩等地震响应，考虑了场地类别、桥墩高度、桥梁跨数、桥梁跨度、激励方向等影响因素，并根据各因素选定的水平级别，实施了混合正交试验，再应用极差分析方法对支座位移、墩底剪力、墩底弯矩等地震响应进行了影响因素的敏感性分析，明确了各因素对相关响应量影响的主次情况，为高速铁路简支箱梁桥隔震研究及优化设计奠定了基础。

高速铁路;简支箱梁桥;摩擦摆支座;U型钢防落梁装置;地震响应;敏感性分析

高速铁路建设中大量选用以桥代路，桥梁比例最高达到线路总长度的80%以上。我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间，是一个地震灾害严重的国家。高速铁路桥梁结构在地震作用下的安全性问题亟待解决，而桥梁隔震技术是一种有效的地震保护手段。隔震设计是提高结构抗震能力的一种设计方法，其本质就是将结构与可能引起破坏的地面运动分离开来，要达到这个目的，可通过延长结构的自振周期、避开地震能量集中的范围，阻止共振的积累，从而降低结构的地震力。但延长周期会引起结构的位移增大，为了控制过大位移，需在结构中引入阻尼装置。根据简支箱梁的结构特点、梁端布置及各种隔震装置、阻尼装置的性能差异，高速铁路简支箱梁桥的隔震措施选择了摩擦摆支座与钢阻尼防落梁的组合方式。

本文以我国高速铁路常用简支箱梁桥为例，建立了采用摩擦摆支座与U型防落梁装置组合地震保护方案的全桥地震响应分析模型，针对支座位移、墩底剪力、墩底弯矩等地震响应，考虑了场地类别、桥墩高度、桥梁跨数、桥梁跨度、激励方向等影响因素，并根据各因素选定的水平级别实施了混合正交试验，再应用极差分析方法对支座位移、墩底剪力、墩底弯矩等地震响应进行了敏感性分析。

1　摩擦摆支座及U型钢防落梁装置

摩擦摆支座是一种性能优良的地震保护装置，它安置在梁底与墩顶之间，具有承载能力高、位移能力大、耐久性强、可自动复位等优点，在国外桥梁地震保护设计中得到了广泛应用。摩擦摆支座由凹球面上支座板、双面凸球面球冠衬板、凹球面下支座板、附着于上、下支座板的不锈钢板与嵌固于球冠衬板的滑板构成的滑动摩擦副等主体部件构成，见图1。摩擦摆支座是利用单摆原理设计而成，单摆周期仅与摆长半径有关，与质量块的质量大小无关，因此桥梁结构安装摩擦摆支座后的自振周期由球冠衬板球面半径决定。通过摩擦摆支座球面半径的合理取值可以自由调整桥梁结构的自振周期，使桥梁的自振周期远离(避开)该地区的地震特征周期;同时，摩擦摆支座通过滑板与不锈钢之间的摩擦吸收地震能量，可以进一步减缓桥梁结构的地震响应。

图1　摩擦摆支座构造示意

与摩擦摆支座配套使用的U型钢防落梁装置在正常运营情况下并不参与工作，不承受任何竖向力、水平力;在地震作用下摩擦摆支座发生摆动时，防落梁装置发生履带式滚动变形并产生阻尼，当梁体位移超过阻尼位移设计值时，U型防落梁装置转化成防落梁拉杆，有效阻止落梁，即兼顾了减隔震与防落梁的双重功能。U型阻尼防落梁装置构造见图2。

图2　U型钢防落梁装置

2　结构地震响应分析

2.1模型及输入地震波

高速铁路简支箱梁桥隔震设计地震响应敏感性分析的模型，选用高速铁路预应力混凝土常用跨度双线整孔简支箱梁，桥墩为双线圆端形空心桥墩;桥址抗震设防烈度取8度，设计地震动峰值加速度为0.3g;隔震设计采用摩擦摆支座与U型钢防落梁装置组合方案，其中摩擦摆支座的球面曲率半径为3 m，设计摩擦系数为0.05，U型防落梁装置的设计阻尼位移为±100 mm。计算模型计入梁部及桥面系刚度，考虑相邻桥跨之间的地震响应相互影响。荷载包括结构自重及桥面二期恒载，地震作用下箱梁和桥墩保持弹性状态，桥墩和箱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。桥墩与箱梁之间用非线性弹簧连接模拟摩擦摆支座以及U型钢防落梁装置的作用，摩擦摆支座采用双线性模型，滞回曲线见图3，U型钢防落梁装置也采用双线性模型，滞回曲线见图4。根据以上条件建立5跨简支箱梁桥的地震响应分析模型。

由于结构地震响应取决于结构本身的动力特性以及输入地震波的特性，因此选择合理的地震波是进行时程分析的基础。常用的地震波包括根据规范反应谱拟合的人工地震波、地震灾害性分析提供的人工地震波、历史记录的实际地震波。实际地震的记录是有限的，不可能完全符合设计要求，人工模拟地震波是抗震性能试验和计算分析中常用的一种方式，这是因为人工模拟地震波能够按照设计地震反应谱要求来完成，并且能够根据特定的场地类型自由选取。本文采用反应谱拟合方式获取输入地震波，根据《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)及《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)确定地震动加速度反应目标谱，图5给出了人工模拟地震波的波形，图6为人工模拟地震波计算谱与目标谱之间的对比图。

图3　摩擦摆支座滞回曲线

图4　U型钢防落梁装置滞回曲线

图5　人工模拟地震波

图6　人工模拟地震波计算谱与目标谱对比

2.2正交试验设计

在工业生产和科学研究实践中，往往需要考察的因素比较多，因素水平数也常常多于2个，如果对每个因素的每个水平都相互搭配进行全面试验，试验次数是惊人的，如果用正交试验设计来安排试验，则试验次数会大大减少，而且统计分析计算也将变得简单。对于采用摩擦摆支座和U型钢防落梁装置的高速铁路简支箱梁桥来说，支座位移、墩底剪力、墩底弯矩是需要重点关注的地震响应量，场地类型、桥墩高度、桥梁跨数、桥梁跨度、激励方向等因素均会对其产生影响，明确判断各因素的影响程度及主次顺序，是更好的进行高速铁路简支箱梁桥隔震设计的关键。对于简支箱梁桥隔震设计的敏感性分析，需考虑的因素及其各自水平级别如表1所示。若要对上述各影响因素水平的组合进行全面试验，则需做256次数值分析，而采用正交试验方法最少仅需32次，因此为了以最少的试验次数反映出全面试验的信息，本次分析采用正交试验方法进行，将桥梁激励方向单独列出来，做平行对比试验，对其他因素选用3因素4水平和1因素2水平混合正交，如表2所示。

表1　因素水平

表2　L16(43×21)混合正交表

2.3计算结果

根据确认的结构计算模型及参数，按混合正交表的因素组合，对采用摩擦摆支座和U型钢防落梁装置的高速铁路简支箱梁桥进行地震响应敏感性分析。当人工模拟地震波顺桥向输入时，各工况关键地震响应量的峰值计算结果如表3所示，当人工模拟地震波横桥向输入时，各工况关键地震响应量的峰值计算结果如表4所示。

表3　人工模拟地震波顺桥向输入正交试验地震响应分析结果

表4　人工模拟地震波横桥向输入正交试验地震响应分析结果

2.4正交试验结果分析

正交试验结果的分析采用极差分析法，该方法具有计算简便、直观形象、简单易懂等优点，是正交试验结果分析最常用的方法。极差的大小反映了试验中各个因素影响的大小，极差大表明该因素对试验结果的影响大，是主要因素;反之极差小表明该因素对试验结果影响小，是次要因素或不重要因素。极差分析法首先计算出每一个水平的试验指标值的总和与平均值，然后求出极差，根据极差的大小，分析各个因素对试验指标值的影响程度，确定哪些因素是主要的，哪些因素是次要的。

表5、表6是根据表3、表4正交试验结果，采用极差分析方法得到的考虑场地类别、桥墩高度、桥梁跨数、桥梁跨度等因素及其相应水平情况下支座纵、横向位移极差分析表。从表5和表6可以看出，场地类别对于支座纵、横向位移影响均最为显著，对于支座纵向位移，桥梁跨数影响程度较大，桥梁跨度影响则不敏感，而对于支座横向位移，桥梁跨度影响程度较大，桥梁跨数影响则不敏感。因此，对于支座纵向位移，其对影响因素的敏感程度依次为:场地类别＞桥梁跨数＞桥墩高度＞桥梁跨度;对于支座横向位移，其对影响因素的敏感程度依次为:场地类别＞桥梁跨度＞桥墩高度＞桥梁跨数。

表5　支座纵向位移极差分析mm

表6　支座横向位移极差分析mm

表7、表8是根据表3、表4正交试验结果，采用极差分析方法得到的考虑场地类别、桥墩高度、桥梁跨数、桥梁跨度等因素及其相应水平情况下墩底纵、横向剪力极差分析表。从表7和表8可以看出，桥墩高度和场地类别是影响墩底剪力的两个主要因素，桥墩高度对于墩底纵向剪力更为显著，场地类别则对于墩底横向剪力影响更为显著，另外对于墩底纵向剪力，桥梁跨数影响程度也较大，桥梁跨度影响则不敏感，而对于墩底横向剪力，桥梁跨度影响程度较大，桥梁跨数影响则不敏感。因此，对于墩底纵向剪力，其对影响因素的敏感程度依次为:桥墩高度＞场地类别＞桥梁跨数＞桥梁跨度;对于墩底横向剪力，其对影响因素的敏感程度依次为:场地类别＞桥墩高度＞桥梁跨度＞桥梁跨数。

表7　墩底纵向剪力极差分析结果kN

表8　墩底横向剪力极差分析结果kN

表9、表10是根据表3、4正交试验结果，采用极差分析方法得到的考虑场地类别、桥墩高度、桥梁跨数、桥梁跨度等因素及其相应水平情况下墩底纵、横向弯矩极差分析表。从表9和表10可以看出，桥墩高度对于墩底纵、横向弯矩影响均最为显著，场地类别居其次，另外对于墩底纵向弯矩，桥梁跨数影响程度也较大，桥梁跨度影响则不敏感，而对于墩底横向弯矩，桥梁跨度影响程度较大，桥梁跨数影响则不敏感。因此，对于墩底纵向弯矩，其对影响因素的敏感程度依次为:桥墩高度＞场地类别＞桥梁跨数＞桥梁跨度;对于墩底横向弯矩，其对影响因素的敏感程度依次为:桥墩高度＞场地类别＞桥梁跨度＞桥梁跨数。

表9　墩底纵向弯矩极差分析结果kN·m

表10　墩底横向弯矩极差分析结果kN·m

3　结论

本文以高速铁路简支箱梁桥隔震研究为例，建立了采用摩擦摆支座与U型钢防落梁装置组合地震保护方案的全桥地震响应分析模型，针对支座位移，墩底剪力、弯矩地震响应，考虑了场地类别等影响因素，并根据各因素选定的水平级别实施了混合正交试验，应用极差分析方法对支座位移，墩底剪力、弯矩等地震响应进行了敏感性分析，得到以下结论:

1)场地类别对于支座纵、横向位移影响均最为显著，对于支座纵向位移，桥梁跨数影响程度较大，桥梁跨度影响则不敏感，而对于支座横向位移，桥梁跨度影响程度较大，桥梁跨数影响则不敏感;

2)桥墩高度和场地类别是影响墩底剪力的两个主要因素，桥墩高度对于墩底纵向剪力影响更为显著，场地类别则对于墩底横向剪力影响更为显著，另外对于墩底纵向剪力，桥梁跨数影响程度也较大，桥梁跨度影响则不敏感，而对于墩底横向剪力，桥梁跨度影响程度较大，桥梁跨数影响则不敏感;

3)桥墩高度对于墩底纵、横向弯矩影响均最为显著，场地类别居其次，另外对于墩底纵向弯矩，桥梁跨数影响程度也较大，桥梁跨度影响则不敏感，而对于墩底横向弯矩，桥梁跨度影响程度较大，桥梁跨数影响则不敏感。

综上所述，当高速铁路简支箱梁桥隔震设计采用摩擦摆支座与U型钢防落梁装置的组合方案时，为控制结构的受力状态应着重关注场地类别和桥墩高度对结构地震响应的影响;为了控制支座位移，防止落梁，除场地类别外还应关注桥梁跨数和桥梁跨度对结构地震响应的影响。

［1］陈永祁，马良泽．结构保护系统的应用与发展［M］．北京:中国铁道出版社，2015．

［2］中华人民共和国建设部．GB 50111—2006铁路工程抗震设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2009．

［3］高孟潭．《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)宣贯教材［M］．北京:中国标准出版社，2015．

［4］杨庆山，田玉基．地震地面运动及其人工合成［M］．北京:科学出版社，2014．

［5］李云雁，胡传荣．试验设计与数据处理［M］．2版．北京:化学工业出版社，2015．

［6］王岩，隋思涟．试验设计与MATLAB数据分析［M］．北京:清华大学出版社，2012．

(责任审编 孟庆伶)

Sensitive Analysis on Seismic Response of Simply Supported Box Girder Bridge on High Speed Railway Using Friction Pendulum Bearings and U-shaped Steel Combined Earthquake Protection Device

ZANG Xiaoqiu1，CAO Zhifeng2，WU Chengliang3
(1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．Zhuzhou Times New Material Technology Co．，Ltd．，Zhuzhou Hunan 412007，China;3．Wuhan Xintuoli Engineering Technology Co．，Ltd．，Wuhan Hubei 430074，China)

In this paper，the seismic isolation of simply supported box girder bridges on high speed railway was studied．A bridge model with friction pendulum bearings and a U-shaped steel com bined earthquake protection device was built for seismic response analysis，including the seismic response of bearing displacement，and shear and moment at the pier bottom．Multiple factors including site types，pier height，number of bridge spans，bridge span length and excitation direction were considered．A mixed orthogonal test was carried out according to the selected level of each factor．Using range analysis method，sensitivity analysis of each factor was carried out on the seismic response of bearing displacement，and shear and moment at the pier bottom．The primary and secondary cases of theim pact of various factors on the relevant response were analyzed．It may provide guidelines for seismic isolation and design optimization of simply supported box girder bridges on high speed railway．

High speed Railway;Simply supported box girder bridge;Friction pendulum bearing;U-shaped steel Combined earthquake protection device;Seismic response;Sensitivity analysis

U442．5+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．02

1003-1995(2016)11-0005-05

2016-08-10;

2016-09-08

中国铁路总公司科技研究开发计划(2014G010-B)

臧晓秋(1972—)，女，研究员，硕士。