双曲面球型减隔震支座在城市轨道交通桥梁中的应用

庄 严

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

随着我国各大城市轨道交通的快速发展，城市轨道交通高架桥在城市交通网络中占据越来越重要的地位。如何建立正确的抗震设计方案，降低灾害损失，进而实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防思想，在高烈度地震区桥梁设计中起着重要的作用[1]。

相对各大干线铁路，城市轨道交通高架桥梁具有结构自重小、刚度弱等特点。目前，城市轨道交通桥梁抗震设计仍以延性设计为主，该设计方法主要依靠增加结构自身的强度、变形能力抗震，尽管通过适当选择塑性铰位置和细部构造设计可以防止结构的倒塌，但结构构件的损伤不可避免。另外，依据公路、城市及地铁相关设计规范，延性设计时基础应作为能力保护构件，进行能力保护设计，这往往增加基础的尺寸和配筋量，特别是在高烈度地震区及地质条件较差的地区，基础的设计显得尤为困难。与延性抗震设计相比，减隔震设计可以减小桥墩所受内力从而保护桥梁结构免受地震破坏，提高桥梁结构的安全性，避免桥墩破坏后修复困难[2-3]。

本文以晋中—太原轨道交通L2号线为工程背景，以30 m标准简支桥梁为研究对象，采用双曲面球型减隔震支座对桥梁进行减隔震设计，探索城市轨道交通高架桥梁的减隔震设计与计算方法。

1 双曲面球型减隔震支座工作原理

双曲面球型减隔震支座(见图1)的减隔震工作原理：当地震发生且支座所受水平力超过设计值时，支座限位装置剪断，支座的水平限位约束解除，大半径球面摩擦副即可在水平方向自由滑移。由于双曲面球型减隔震支座发挥减隔震作用，桥梁体系的固有结构周期由原来较小的周期延长为较大的周期，使桥梁体系避开了地震能量密集区，有效降低了桥梁体系的地震响应。支座在滑移过程中，由于摩擦阻力消耗部分地震能量，地震过后支座的恢复力使梁体恢复到原设计位置附近[4]。

1-下座板；2-中座板；3-双球面聚乙烯滑板；4-双球面不锈钢滑板；5-限位板；6-上座板。图1 双曲面球型减隔震支座结构示意

2 双曲面减隔震支座的恢复力模型

对于直线桥梁，双曲面球型减隔震支座的恢复力模型可近似为双线性[5-8]，其滞回曲线见图2。

图2 双曲面球型减隔震支座滞回曲线

(1)

(2)

(3)

式中：Kp为数值计算时需要输入的初始刚度；Kc为支座屈服后刚度，为滞回曲线平行四边形中上部或下部直线的斜率；Keff为等效刚度；μ为滑动摩擦系数；W为支座竖向承载力；dy为屈服位移；R为支座等效曲面半径；F为支座水平力；D为支座的地震位移，先估值计算，然后根据计算结果再作调整。

3 双曲面球型减隔震设计原则

在地震作用下，高架桥梁必须满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标[9]。同时，鉴于城市轨道交通生命线工程的重要性及工程结构震后修复困难，城市轨道交通高架桥梁需要有较高的抗震性能要求。为尽可能减少小地震对高架桥梁的影响，提高强震下高架桥梁的抗震性能，本文建议城市轨道交通高架减隔震设计尽量满足以下原则[4,10]：

1)多遇地震作用下，支座限位装置不剪断，此时支座与普通球型支座一样，桥梁利用支座及下部结构的强度抗震，结构处于弹性状态。为了安全起见，支座剪断力可取1.2～1.5倍多遇地震下墩顶水平力。

2)设计地震作用下，支座限位装置已剪断，双曲面球型减隔震支座发挥减隔震作用，恢复力模型为双线性，桥墩与基础处于弹性状态。

3)罕遇地震作用下，支座限位装置已剪断，双曲面减隔震支座的功能与设计地震作用下相同。桥墩与基础处于基本弹性状态。

4 抗震分析

4.1 基本参数

以晋中—太原轨道交通L2号线3孔30 m标准简支桥梁为例。梁体采用单箱单室预应力混凝土箱梁，桥墩采用矩形花瓶形实体墩，基础采用钻孔灌注桩。桥址区设防烈度为8度，地震动峰值加速度为0.2g，场地类别Ⅲ类，场地特征周期0.55 s。桥墩构造尺寸见图3，不同墩高桥墩及桩基尺寸见表1。

图3 桥墩构造(单位：cm)

墩高H / m墩身坡率墩身尺寸(A×B)/m桩基布置/mH≤12直坡2.2×2.25ϕ1.212

双曲面球型减隔震支座参数的选取见表2。

表2 双曲面球型减隔震支座参数

4.2 计算模型

图4 计算模型

主梁混凝土采用C50，桥墩及承台混凝土采用C40。选取3孔30 m的简支梁，桥墩为等高墩，利用MIDAS/Civil软件建立有限元模型，对不同墩高的简支桥进行模拟计算，计算模型见图4。为考虑桩-土-结构相互作用对群桩基础变形的影响，采用工程上比较常用的“m”法，将桩基等效为地基弹簧。桩基等效刚度见表3。采用反应谱法计算多遇地震力，采用非线性时程法计算罕遇地震力。非线性时程分析时，双曲面球型减隔震支座采用MIDAS中的“减隔震支座隔震装置”非线性连接单元。选取本线工程场地地震安全性评价中的3条时程波进行计算，时程分析结果取3组计算结果的最大值。罕遇地震下3条安全性评价时程波见图5。

表3 桩基等效刚度 kN/m

图5 罕遇地震下3条安全性评价时程波

4.3 支座剪断力的确定

根据双曲面球型减隔震支座的减隔震工作原理，当地震作用超过多遇地震作用时，支座限位装置剪断，达到减隔震的效果。根据多遇地震水平地震力，反算支座需要承担的水平地震力与墩顶支座竖向设计承载力的比值N，详见表4。

表4墩顶水平地震力与墩顶支座竖向设计承载力的比值N

墩高H /mN/%横向无车横向有车纵向无车纵向有车4313331318272724241219201717161818161620181817172417171515

注:墩顶支座竖向设计承载力为6 000 kN。

由表4可见:在多遇地震作用下桥墩越矮支座水平剪力越大，即桥跨结构相同条件下墩高不同支座的水平地震力亦不同；当墩高H≤8 m时，随墩高减小墩顶水平地震力增大比较明显，当墩高8 m

在确定支座剪断力时可按高墩(H>8 m)与矮墩(H≤8 m)分别确定。墩高H≤8 m时，剪断力取支座竖向设计承载力的33%；墩高H>8 m时，剪断力取支座竖向设计承载力的25%。另外，考虑支座材料偏差以及其他安全因素，支座剪断力选取时留适当的富裕值，这里取1.2倍安全系数，以保证在多遇地震作用下支座不被剪断。所以，墩高H≤8 m时，剪断力取 2 380 kN；墩高H>8 m时，剪断力取 1 800 kN。

4.4 减隔震效果分析

为了考察双曲面减隔震支座的减隔震效果，对桥梁分别采用双曲面球型减隔震支座和普通球型钢支座进行对比分析。在多遇地震作用下支座限位装置不间断，双曲面球型减隔震支座和普通球型钢支座效果一致。因此，仅分析罕遇地震作用下的计算结果，顺桥向与横桥向隔震率见表5。

由表5可见：在罕遇地震作用下，采用双曲面球型减隔震支座相比采用普通球型钢支座，墩底的弯矩与剪力值均显著减小，弯矩减小了48.1%～83.2%，剪力减小了36.6%～84.0%；同时，墩高越低弯矩与剪力减小幅度越大，说明同样设置双曲面球型减隔震支座，低墩的隔震效果明显优于高墩。

表5 不同墩高在罕遇地震作用下的隔震效果

注：减震率=(普通球形钢支座-双曲面球型减隔震支座)/普通球形钢支座[11-12]。

4.5 桥墩地震响应分析

通过分析计算，不同墩高在横向、纵向地震作用下墩底弯矩分别见表6、表7。

表6 不同墩高在横向地震作用下墩底弯矩

表7 不同墩高在纵向地震作用下墩底弯矩

为了使结果更为直观，将表6、表7的结果以柱状图形式示出，见图6。

图6 不同墩高在地震作用下墩底弯矩

由表6、表7及图6可见：多遇地震、支座剪断及罕遇地震各工况，墩底纵向与横向弯矩均随墩高增加而增大；在墩高H≤20 m时，各工况墩底弯矩的差异不大且墩底弯矩均由支座剪断工况控制；墩高H>20 m时，在支座剪断及罕遇地震工况墩底弯矩比多遇地震工况明显增大，且墩底弯矩由罕遇地震工况控制。

墩高H≤20 m时，采用双曲面球型减隔震支座进行减隔震设计比较合理；当墩高H>20 m时，建议分别采用延性设计和减隔震设计，根据对比分析结果，选取更合理的抗震设计方法。

4.6 桥墩与基础检算

对支座剪断及罕遇地震各工况不同墩高下桥墩墩身及桩基进行检算。其中，桥墩检算选择墩底截面，桩基检算选择桩顶截面及桩身弯矩最大处截面。计算结果见表8、表9。

表8 不同墩高下桥墩计算值

由表8、表9可见：桥墩墩身配筋率为16.6‰～20.5‰，地震作用下桥墩由配筋控制设计，最大钢筋拉应力为321.2 MPa，略大于315 MPa，桥墩基本处于弹性受力状态；桩基配筋率为13.9‰，地震作用下桩基由配筋控制设计，最大钢筋拉应力为328 MPa，略大于315 MPa，桩基基本处于弹性受力状态。

表9 不同墩高下桩基计算值

4.7 位移计算

在罕遇地震作用下，支座已经剪断，双曲面减隔震支座开始起减隔震作用。此时，墩梁相对位移见表10。

表10 罕遇地震墩梁相对位移

由表10可见，墩高越高墩梁相对位移越大。墩高24 m时，墩梁最大纵向相对位移117 mm，最大横向相对位移120 mm。梁缝取值时，建议不宜小于120 mm，可以尽量减小在罕遇地震作用下相邻梁间的碰撞作用。设置防落梁挡块时，挡块与支承垫石间缝隙值建议不应小于120 mm，以保证在预定的罕遇地震作用下防落梁挡块不参与受力，超过预定的罕遇地震时，防落梁挡块再起作用。

5 结论与建议

本文依据实际轨道交通工程项目，对设置双曲面球型减隔震支座的30 m标准跨简支梁进行地震响应分析，探索城市轨道交通高架桥梁的减隔震设计计算方法。主要研究结论如下：

1)通过对不同墩高在多遇地震下的地震响应规律的分析，合理确定了支座剪断力。在多遇地震作用下支座不剪断，结构受力与普通支座一致，结构处于弹性工作状态。

2)在罕遇地震作用下，采用双曲面球型减隔震支座相比采用普通球型钢支座，墩底的弯矩与剪力值均显著减小，弯矩减小了48.1%～83.2%，剪力减小了36.6%～84.0%。同样设置双曲面球型减隔震支座，低墩的隔震效果明显优于高墩。

3)墩高较低时，采用双曲面球型减隔震支座进行减隔震设计比较合理；当墩高较高时，建议分别采用延性设计和减隔震设计，根据对比分析结果，选取更合理的抗震设计方法。

4)在罕遇地震作用下支座剪断，双曲面减隔震支座发挥减隔震作用，桥墩及桩基仍处于弹性工作状态，满足既定的设防目标。

5)建议梁缝、挡块与支承垫石间缝隙的取值，不宜过小，宜根据墩梁最大相对位移综合考虑。

采用双曲面减隔震的桥梁能有效降低地震响应，避免结构构件的损伤、震后修复困难等问题，能产生很好的经济效益和社会效益。本文可为地质条件复杂及地震高烈度城市地区的轨道交通桥梁提供设计依据，也可为今后相关设计规范、标准的修订提供技术支持。

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