速度锁定型减隔震支座设计与性能分析

顾海龙，王 勇

(洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳 471000)

长联大跨连续梁桥是铁路桥梁中常见的结构形式，其设计难点在于固定墩的设计。当地震发生时，上部梁体在纵桥向产生的地震力作用于一个固定墩上，为使固定墩能够满足相关设计标准要求，需将固定墩的尺寸加大，导致工程设计难度增加。因此，需要降低固定墩所受纵桥向地震力。一种常见的做法是在活动墩的纵桥向设置速度锁定器[1]。地震发生时，速度锁定器固定活动墩梁墩的相对位移，使得各活动墩的受力形式与固定墩相同，并与固定墩一起分担纵桥向地震力[2]。采用该方案的桥梁有津秦客运专线(60+100+100+60)m大跨度连续梁桥[3]、成灌线大跨度连续梁桥等[4]。该方法的缺点是：由于速度锁定器将各活动墩变成了固定墩，使得整个桥梁体系变为刚构体系，加大了整个桥梁体系所受的地震力。对于高震区桥梁，该方法同样会使桥墩的设计产生困难。

目前速度锁定器的设置方法有2种：①速度锁定器设置于梁体与桥墩之间；②速度锁定器与球型钢支座组合成一体[5]，或是速度锁定器与E型钢阻尼支座组合成一体[6]。除了上述设置方法外，采用双曲面球型减隔震支座[7-9]与速度锁定器组合形成的新型支座能够更好地解决大震工况下长联大跨桥梁的抗震问题。作用原理是：在小震时支座能够使活动墩变为固定墩，并与固定墩一起分担地震力；大震时各墩支座均能起到减隔震作用，震后支座可复位。

本文以成都—昆明铁路成都至峨眉段扩能改造工程中新青衣江特大桥为例，采用速度锁定型双曲面球型减隔震支座抗震措施，进行不同地震工况下的抗震计算分析，对比桥梁减隔震效果。通过抗震计算获取支座各项减隔震参数，完成支座样品制造，进而开展减隔震性能试验研究，验证支座设计性能。

1 桥梁概况

成都—昆明铁路成都至峨眉段扩能改造工程新青衣江特大桥为六跨连续梁桥(40+4×64+40)m，桥址设计基本水平地震加速度峰值为0.1g，抗震设防烈度7度，场地特征周期0.45 s。该桥中间墩(39#)为固定墩，其他墩(36#,37#,38#,40#,41#,42#)均为活动墩。大桥梁跨布置如图1所示。

图1 大桥梁跨布置示意

2 桥梁减隔震设计

为避免固定墩及固定支座承受较大的作用力，该桥采用减隔震装置功能，具体设计内容如下。

1)横桥向：支座横向始终硬抗，即支座限位装置在地震力发生时不发生破坏。

2)纵桥向：小震时速度锁定器锁定支座平面滑移功能，各主墩纵向活动支座的功能变为固定支座，桥梁体系近似于刚构桥，则地震力分配至各主墩共同承受，以减小固定墩地震力。大震时速度锁定器将支座平面摩擦副“锁死”，通过速度锁定器传递的水平力将支座纵向限位装置约束解除，各主墩支座均成为纵向活动型的双曲面球型减隔震支座，延长了桥梁纵桥向的振动周期，并通过摩擦耗能消耗输入的地震能量，发挥减隔震作用。地震后，支座的自复位功能使桥梁回复到原位置附近。

3 支座基本设计参数

桥梁边墩采用常规球型支座，其余主墩采用速度锁定型双曲面球型减隔震支座。设计方案针对主墩支座进行设计分析。支座基本设计参数包括：设计竖向承载力 15 000 kN，横桥向承载力 2 250 kN；支座结构形式为固定(GD)和纵向活动(ZX)；支座正常位移(非地震情况下)为±100 mm和±150 mm两种；设计转角为0.02 rad。

4 支座特殊设计参数

通过抗震分析确定支座其余设计参数，包括纵向极限承载力、震后位移、等效曲面半径、滑动摩擦因数及速度锁定力。

4.1 抗震分析方案

1)支座采用常规支座布置方案，即固定墩设置固定支座，其余墩设置纵向活动支座，计算罕遇地震工况下支座及桥墩的纵桥向地震响应。

2)地震工况采用0.7倍设计地震水准。活动墩支座增设黏弹性消能器模拟速度锁定器，使其与平面摩擦副并联。根据计算结果确定限位装置及速度设计器相应的设计参数。

3)设置合适的滑动摩擦因数和等效曲面半径，计算罕遇地震工况下纵桥向地震响应，确定相关设计参数。

4.2 有限元模型

采用MIDAS建立有限元模型，采用黏滞阻尼器一般连接单元模拟速度锁定器[10]。支座平面布置如图2所示。

图2 支座平面布置示意

4.3 计算分析结果

4.3.1 普通支座抗震分析

支座采用普通支座，罕遇地震作用下纵桥向地震内力响应见表1，结果显示固定墩内力响应最大。

表1 罕遇地震作用下纵桥向地震内力响应

4.3.2 地震工况为小震

此工况计算的目的是确定支座限位装置水平极限承载力和速度锁定器锁定力。

支座限位装置水平极限承载力的取值与桥梁的抗震设防水准相关。根据桥墩和基础的抗力，拟采用0.7倍设计地震水准时支座的水平反力作为双曲面球型减隔震支座的水平极限承载力，即当桥梁承受大于0.7倍设计地震水准的地震时，支座的限位装置解除约束，发挥减隔震支座作用。速度锁定器受力计算结果见表2，结果显示活动墩与固定墩共同分担地震水平力。

表2 速度锁定器受力计算结果 kN

支座水平极限承载力和速度锁定力见表3。为了保证经速度锁定器传递给限位装置的地震力能够解除限位装置约束，将速度锁定器的最大锁定力与限位装置纵桥向水平极限承载力的比值设置为1.40～1.50。

表3 支座水平极限承载力和速度锁定力

注：F1为限位装置纵桥向水平极限承载力，kN；F2为速度锁定器的锁定力，kN；K为限位装置纵桥向水平极限承载力与速度锁定力的比值；1个支座共包括2个速度锁定器。

4.3.3 地震工况为大震

按减隔震支座滑动摩擦因数为0.03，等效曲面半径为4.2 m进行纵桥向罕遇地震分析。罕遇地震下纵桥向地震内力响应见表4。罕遇地震下支座震后位移见表5。

表4 罕遇地震下纵桥向地震内力响应

采用减隔震率来表示减隔震装置(速度锁定器+双曲面球型减隔震支座)的减隔震效果，减隔震率=(普通支座内力-减隔震装置内力)×100%/普通支座内力；减隔震效果见表6。可知，采用速度锁定型减隔

表5 罕遇地震支座震后位移

震支座后，固定墩减隔震效果显著，减隔震率可达85%以上，明显减小了纵桥向固定墩地震内力响应，表明采用速度锁定器+双曲面球型减隔震支座方案替换原普通支座方案效果良好。

4.3.4 支座设计参数

综合正常参数和减隔震参数，速度锁定型双曲面球型减隔震支座设计参数见表7。

表6 减隔震效果

表7 速度锁定型双曲面球型减隔震支座设计参数

注：每台速度锁定型双曲面球型减隔震支座配2台速度锁定器；横桥向水平承载力为硬抗式承载力。

1-底座板；2-下座板；3-中座板；4-上座板；5-速度锁定器图3 速度锁定型减隔震支座结构

5 支座结构及功能设计

5.1 支座结构设计

速度锁定型减隔震支座结构如图3所示。减隔震支座关键零件包括球面四氟滑板、球面不锈钢滑板、限位装置、平面不锈钢滑板、平面四氟滑板。速度锁定器关键零件包括硅胶泥、密封件、活塞杆、缸体、端盖。

5.2 支座功能设计

5.2.1 正常运营状态

支座在正常运营下，竖向荷载、温度位移及转角实现途径如下：

1)竖向荷载。支座所承受的竖向载荷经上座板、上球面摩擦副、中座板、下球面摩擦副、下座板、平面摩擦副和底座板，最终传递至墩台垫石。

2)温度位移。支座底座板上表面的不锈钢滑板与支座下座板的四氟滑板组成平面摩擦副，支座纵桥向温度位移由平面摩擦副实现。正常温度升高和温度下降时滑移速度很小。速度锁定器不锁定，随着平面摩擦副一起运动。速度锁定器产生的阻力通常小于其设计值的10%，故速度锁定器不会影响支座正常温度位移。

3)支座转角。支座的转角由双球面不锈钢滑板与双球面四氟滑板组成的球面摩擦副的相对滑移来实现。

5.2.2 小震地震状态(小于0.7倍设计地震水准)

纵向地震发生时，支座平面摩擦副的相对运动速度超过速度锁定器的锁定速度，因此速度锁定器将支座平面摩擦副“锁死”，纵向活动支座与固定支座一起承担纵桥向地震力。

5.2.3 大震地震状态(大于0.7倍设计地震水准)

纵向地震发生时，支座平面摩擦副由于速度锁定器的作用而固结，纵向限位装置所受水平力超出其极限承载力，纵向限位装置解除约束。通过双球面不锈钢滑板与双球面四氟滑板组成的球面摩擦副的相对滑移来实现地震位移。支座以设计的摩擦因数和等效曲面半径进行滑移，从而延长桥梁振动周期，降低动力加速度，降低桥梁受到的地震力。支座滑移过程中动能转化为势能，通过支座摩擦副摩擦耗能逐渐消耗地震能量，支座往复滑移位移随之减小。支座上部梁体自重形成回复力，使支座最终停留在初始位置附近。

6 支座检测

6.1 检测方案

6.1.1 竖向压缩变形

支座的竖向承载能力测试按GB/T 17955—2009《桥梁球型支座》[11]规定执行。支座在设计载荷作用下，其竖向压缩变形应小于支座总高的1%。

6.1.2 水平滞回性能

支座的水平滞回性能试验按JT/T 927—2014《桥梁双曲面球型减隔震支座》[12]规定执行。滑移刚度=竖向承载力/等效半径，试验值与设计值的偏差应小于10%，摩擦因数为0.03～0.04。

6.2 检测结果

速度锁定型减隔震支座试验见图4。支座型式试验结果见表8。可知，支座检测结果合格。

图4 速度锁定型减隔震支座试验

表8 KZQZ-LUB15000/1000-ZX-e150支座型式试验结果

7 结论

成都—昆明铁路成都至峨眉段扩能改造工程新青衣江特大桥采用了速度锁定型减隔震支座抗震措施，对不同地震工况下的抗震进行计算分析和支座样品性能试验，主要结论如下：

1)小震时活动墩支座与固定墩支座共同承担地震力，有效解决了固定墩受力大和设计困难问题。

2)大震时全部主墩上的支座共同实现桥梁减隔震作用，罕遇地震下桥梁纵向震后位移较小，固定墩减隔震率可达85%以上，桥梁减隔震效果显著。

3)支座型式试验显示，支座滑动摩擦系数和屈后滑移刚度满足设计要求，验证支座良好性能。