桥梁中减震榫与榫形防落梁装置的减震性能研究

姜金斌，王军泽

（杭州市市政工程集团有限公司，浙江 杭州 3100030）

常见桥梁减震设计可总结为两类：一是减隔震支座，行业内较为普遍的有铅芯橡胶制作等；二是增设能量耗散装置，主要置于梁体与墩台连接区域，应用较为广泛的有各类型效能阻尼器，其中以金属阻尼器效果最为优良，其高度塑性变形特性可大幅度消耗地震输入能量，使用到的软钢材料当达到塑性状态后，表现出明显滞回特性，总体来说减震效果良好。

1 减震榫-滑动支座系统设计

在本次研究中，重点围绕减震榫展开探讨，可理解为是钢棒阻尼器，基于等强度设计原则，可保障塑性耗能效果，大幅提升材料利用水平[1]。充分利用主梁连接套筒，将指定的减震榫端头部分置入其中；基于M32 高强螺栓与桥墩的稳固连接，进一步与滑动支座构成整体[2]，具体结构如图1 所示。

图1 减震榫-滑动支座系统

2 常时荷载对于减震榫的刚度要求

处于正常运行状态时，为满足列车舒适度要求，必须确保桥墩纵向线刚度的稳固性，与减震榫的组合刚度为K＝KdKs/（Kd+Ks），其Kd 与Ks 为桥墩与减震榫各自的线刚度值。需严格控制减震榫线刚度，以桥墩纵向刚度的4 ～5 倍可行，便可带来优良的应用效果，此时桥墩线刚度降幅可稳定在20%以下。关于本次研究的32m 跨桥梁结构，得知其墩顶纵向线刚度达到400kN/cm，以此为基准展开仿真分析，得知使用的减震榫时刚度需达到2000kN/cm，这是满足要求的基本条件。

3 减震榫基于性能的设计准则

遇到地震灾害时，要求减震榫优先达到塑性状态，且具备灵活变形能力，为达到此要求，需确定合适钢材并提升设计精度。对此，以软钢材料为宜，充分考虑工作应变范围，以确保材料在安全区间内的应用效果。

4 减震榫-减震性能分析

4.1 分析模型

文章探讨的是32m 跨箱梁结构，其下部设置为实体桥墩形式，基于C35 混凝土现浇而得。假定桥台为刚性，且各桥墩与地面均达到刚性连接状态，进一步得到桥梁分析模型，如图2 所示。

图2 4×32m 简支梁桥分析模型

梁体与各个墩、台之间有多种连接形式，此处重点考虑两种工况，即盆式支座连接与减震榫-滑动支座系统。通过对前文的分析，可知第二种方案中单孔量共使用到16 根减震榫，均匀分布在两侧梁端。

基于ANSYS 软件，可创建出本项目的全桥空间分析模型，利用Beam188 可完成对梁体与桥墩的模拟作业，考虑到盆式支座的实际应用特性，形成了Combin14 弹簧单元，此方式可有效模拟支座位移情况；而在第二种方案中，则创建了Combin40 非线性弹簧单位，可实现对减震榫力学状况的有效模拟。

4.2 减震性能分析

基于减震榫-滑动支座系统，原本桥梁上、下两部分结构的连接方式将发生变化，对应于桥梁动力特性自然也有所改变。分析桥自振周期，可知工况1 与工况2对应的是0.2033s、0.4079s。显然，工况2 所选取的方式大幅延长自振周期。

参考现行抗震规范，可知减隔震设计结构的使用条件——建筑场地需满足Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类标准。为探寻各场景下减震榫-滑动支座系统的运行效果，此处针对性选取了三者的地震波，如表1 所示。

表1 输入地震波列表

考虑到地震峰值加速度的差异性问题，同时耗能体系虽然具备减震效果但更加适用于大震环境下，所以此处对峰值加速度做出了改进，将其设为400cm/s2，如表2 所示。

表2 Taft 波作用下各墩顺桥向地震响应峰值

基于上述内容得知：参照工况1，若处于工况2 环境下，无论是墩底剪力与弯矩，或是墩顶位移情况，三者都出现明显减小趋势，尽管频谱特性存在差异，对结构反应的作用程度也不尽相同，但总体来说减震率均达到50%，效果最好时可达到85%，因此减震效果优良。支座滞回曲线总体上较为饱满，地震环境中呈非对称性，对应于滞回曲线中也表现出不对称的特性。相较非减隔震桥梁，设置为支座形式后位移明显提升，最高值达到了60mm，但在工程许可范围内。

4.3 减震榫三级性能指标的实现

遵循减震榫设计规范，以此为指导对减震榫-滑动支座系统做出合理的参数设置，此举能够显著提升减震榫的应用效果，使其在各地震环境中具有适用性。对此，此处围绕Taft 波展开分析，假定其峰值加速度分别有0.1g、0.3g 与0.6g 三种情况，即对应的是小、中、大三种程度地震，建立在工况2 环境中，对各地震水平作用下的实际情况展开探讨。得知系统的极限弹性位移达到5.46mm，同时极限屈服位移达到56.27mm，考虑到减震榫最大应变εmax状态下，两者分别对应为E 点（0.11%）和Y 点（1.55%）。在实际环境中，梁体水平位移偏大时极容易引发梁体碰撞现象，考虑到此问题，对减震榫水平极限位移做出了改进，将其限定为150mm，进一步得知εmax为4.13%，明显在M 点8.44%以内。

（1）在小震时，发现减震榫出现了屈服问题，虽然塑性变形但幅度较小，此时最大拉应变达到0.31%，总体来说位移微弱，没必要采取修复措施；

（2）在中震中，发现减震榫进一步加大了塑性变形，此时最大拉应力提升到了0.86%，但总体上位移依然较小，仅经过轻微修复即可达到要求；

（3）在大震时，整体状况发生了明显变化，此时减震榫最大拉应变上升到了2.02%，处于强化阶段，整体位移虽然有所加大，但依然稳定在极限位移之内，即＜150mm，总体来说稳定性较好。

基于上述三种情况的分析，得知减震榫变形满足既定要求，具备多级性能指标，

4.4 墩高对减震效果的影响

为探讨各墩高状态下所带来的实际减震效果，此处共设置了5 类圆端实体墩，分别为4m、8m、12m、16m、18m，除此之外的任何桥梁模型参数都一致，并采取Taft 波激励措施，如图3 所示。

图3 减震率随墩高的变化曲线

基于上述内容得知，诸多因素均会对减震榫减震效果带来影响，但作用最为明显的当属墩高。若该值在12m 以内，伴随着墩高的增加，产生的减震率将呈持续上升特性；若墩高正好处于12m，此时减震榫的运行状况最佳，减震效果最好，减震率超过85%；此后，若墩高再次增加，带来的减震效果将出现下降趋势，降幅达到30%。

呈现上述规律的主要原因在于：当墩高处于较小状态时，桥梁刚度较大，且具有更短自振周期，产生的梁体位移量得到有效控制，减震榫无法完全达到塑性阶段，因此消耗地震能量的效果相对有限；若适当加大墩高，桥梁整体呈现出更“柔”的特性，位移进一步加大，此时减震榫耗能状况优良；同时，如果墩高超出特定范围，桥梁自振周期相对更长，此时会进一步抑制减震榫动力特性，原本优良的减震效果也会进一步下降。总体上，为满足桥梁安全运行环境，需针对减震榫做出单独参数设置，以保障最佳减震效果。

5 结束语

减震榫-滑动支座系统，明显延长了桥梁自振周期，经模拟分析得知，墩底剪力与弯矩，或是墩顶位移都得到了控制，发挥出优良减震效果。在各类因素中，墩高会直接作用于减震榫运行状态，进而表现在减震效果上。在其余条件不发生改变的前提下，当桥墩高度增加时，墩底弯矩与剪力、墩顶位移各自的减震率均呈现先增后减的特性。基于此，出于全面保障减震效果的目的，有必要对减震榫做出合理的参数设置。