高烈度区铁路桥梁位移型和速度型阻尼器减震对比研究

庞 林， 刘力维， 董 俊， 曾永平

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

川藏铁路拟建的雅拉河大桥桥址区位于康定市雅拉乡，临近雅拉河断裂、鲜水河断裂带的几个段落，其中雅拉河段、色拉哈段和磨西段的离逝时间已接近重复间隔， 未来存在发生特征地震的危险，工程场地地震危险性主要为近场大震。根据地震安评报告，该地区属于9度地震区，二类场地，场地特征周期0.5 s，罕遇地震峰值加速度达0.918g，安评地震记录包含显著的速度脉冲效应，其PGV/PGA达2.5，应考虑近场地震影响，竖向地震动加速度峰值取水平地震动加速度峰值的1.0倍。

当前应用于桥梁结构的耗能减震装置主要包括两大类，以黏滞阻尼器、电涡流阻尼器[1-6]等为代表的速度型阻尼器和以软钢金属减震卡榫、记忆合金阻尼器等[7-12]为代表的位移型阻尼器。桥梁用各类阻尼器如图1所示。

图1 桥梁用各类阻尼器

1 工程概况及动力分析模型

雅拉河大桥初步设计方案采用11×32 m+4×26 m结合梁简支梁桥，其中1#～9#桥墩之间为双线桥，9#～14#桥墩之间为双线+单线桥。采用Engineer’s Studio(ES)建立弹塑性纤维截面模型模拟桥墩潜在塑性铰区真实变形曲率关系，以及结构损伤后刚度退化、连接构造非线性对整体结构地震响应的影响。

双线32 m跨结合梁自重约453 t，二期恒载双线200 kN/m，单线100 kN/m，车辆荷载为ZKH荷载，曲线段设计车速120 km/h，曲率半径800 m。桥墩、桩基础混凝土采用C35，结合梁混凝土采用C50混凝土，钢材Q420，纵筋HRB500。墩高15 m以上采用空心墩，15 m及以下采用实心墩。分析模型如图2所示，安评地震动反应谱如图3所示。

图2 分析模型

图3 安评报告输入地震动加速度反应谱

2 减隔震措施方案初选

该桥址场地波罕遇地震最大加速度峰值为0.92g，PGV/PGA达2.5，具有显著脉冲特性，连接构造位移难以控制。为此比选表1所述的两种不同类型的阻尼器方案，包括速度型阻尼器和位移型阻尼器，并与摩擦摆支座形成组合减隔震体系。摩擦摆减隔震支座采用恢复力模型，初始刚度120 000 kN/m，屈后刚度为2 485 kN/m，初始屈服位移为2.61 mm。位移型阻尼器初始屈服位移取30 mm。

表1 减隔震设计方案

图4 不同减震限位方案位移

罕遇地震不同减震限位方案连接构造位移(顺桥向)如图4所示，计算表明：

1)速度型1～3方案采用黏滞阻尼器，基准方案中每个支座布置一组纵横向200 t阻尼器，连接构造最大位移为260 mm。经优化设计后的设计方案，每个双线梁支座布置一组纵横向100 t阻尼器，每个单线梁支座布置一组纵横向50 t阻尼器，可将连接构造最大位移控制在300 mm以内，最大位移为292 mm。

2)位移型1～4方案采用金属阻尼器方案。其初始屈服力由62 t增加至80 t，再增加至120 t时，连接构造最大位移由543 mm降低至367 mm，再降低至291 mm。连接构造位移逐步被控制在设计300 mm位移限值内。位移型4方案给出了将位移型阻尼器极限承载力由200 t增加至300 t时，最大位移可进一步减小至242 mm。

为此，选用速度型阻尼器方案3和位移型阻尼器方案3的力学性能参数，并基于罕遇地震下隔震桥梁保持基本弹性的设计原则，重新调整桥墩截面和配筯后进行综合比选分析。速度型阻尼器分别按照黏滞阻尼器和电涡流阻尼器设计。位移型阻尼器按照董俊等[13]提出耗能防落梁设计。

3 减隔震方案综合比选

3.1 桥墩抗震性能

对比不同减隔震方案墩底弯矩最大值如图5所示，可以看出各方案墩底内力基本接近，偏差约10%。为考虑桥墩动轴力的影响，将各方案共计12 050个轴力-弯矩桥墩内力时程点与等效屈服P-M(轴力-弯矩)曲线绘制在图6上。墩柱的承载力受弱轴控制，桥墩地震内力时程点绝大多数落在等效屈服弯矩的屈服面内与面上，仅有个别点落在屈服面之外。若再考虑一定的安全系数，以响应较大的实心墩(4#墩)以及空心墩(10#墩)为例，将4#墩纵筋配筋率自0.9%调整至1.3%，10#墩纵筋配筋率自1.8%调整至2.2%后，所有地震响应均包络在等效屈服弯矩的屈服面内。

图5 墩底内力比较

图6 桥墩等效屈服弯矩验算

3.2 桩基抗震性能

对比不同减隔震方案桩顶最大轴拉力，如图7所示，可以看出各方案桩基内力基本接近，偏差约15%左右。在3种减隔震方案中，个别边缘位置的桩基地震响应超过了等效屈服弯矩屈服面，损伤模式为拉弯损伤。将部分超限的桩基配筋率由2.2%调增至3%后，重新验算。如图8所示，桩基的地震响应均在等效屈服弯矩的屈服面内，满足了罕遇地震基本弹性的性能要求。

图7 桩顶轴向拉力比较

图8 桩基等效屈服弯矩验算

3.3 连接构造位移

罕遇地震作用下黏滞阻尼器、耗能防落梁和电涡流阻尼器方案最大连接构造最大位移均发生在顺桥向，分别为318、382、312 mm。横桥向位移较小，分别为282、268、232 mm，如图9所示。

3.4 结合梁抗震性能

用罕遇地震工况下的弯矩1.35×105kN·m除以主力工况下的弯矩0.79×105kN·m，比值为1.71，用Q420工字钢罕遇地震容许应力420 MPa除以主力作用容许应力250 MPa，比值为1.68，说明在近场地震分量较大的情况下(加速度峰值0.92g，与水平比值为1.0)，罕遇地震工况相较于主力工况可能更控制设计，但相差不大可按照主力进行初步设计。

图9 墩梁连接构造位移

结合梁按基本弹性设计，分析表明跨中弯矩由一阶竖弯控制。主梁一阶竖弯周期为0.32 s，处于加速度反应谱平台段，查询安评人工波反应谱谱值，对应的动力放大系数为2.5左右。按反应谱法计算主梁自重与地震响应线性叠加的竖向加速度为3.3g(自重1g+动力2.5×0.92g)，不考虑水平地震对主梁弯矩的耦合，仅考虑竖向地震作用下，按照均布力计算的跨中弯矩为1.44×105kN·m，与有限元时程分析结果1.35×105kN·m，仅偏大6.73%。将扣除自重的动力时程结果与自重工况计算的罕遇跨中弯矩相比，绘制获得的动力系数时程，如图10所示，罕遇地震动的动力放系数最大为2.20，与理论分析相接近。

图10 跨中弯矩动力系数时程

4 结论

以川藏铁路雅拉河大桥为研究对象，比选采用不同类型阻尼器(速度型和位移型)的在近断层高地震烈度区铁路桥梁抗震设计中的适用性，研究表明：

1)雅拉河大桥双(单)线采用100 t的速度型阻尼器或120 t的位移型阻尼器方案均能满足川藏铁路桥梁抗震设计关于“罕遇地震结构保持基本弹性的设计要求”，连接构造相对位移能够控制在400 mm以内。其中15 m以上桥墩采用空心墩，最大配筋率2.2%，15 m以下桥墩为实心墩，最大配筋率1.3%。桩基直径1.5 m，最大配筋率3%。按照正常使用进行结合梁的初步设计基本可满足罕遇地震工况的抗震需求，结合梁工字钢最大应力402.4 MPa，混凝土最大应力17.7 MPa。

2)黏滞阻尼器耐久性问题较为突出，应用在环境复杂艰险、维护检修困难的川藏线上存在一定问题；同参数的电涡流阻尼器的耗能限位效果整体与黏滞阻尼器相当，在功能上能够代替黏滞阻尼器；耗能防落梁方案与电涡流阻尼器方案相比，经济性突出，参数设计灵活。除顺桥向外电涡流阻尼器方案对连接构造位移控制的效果更为优异，横桥向连接构造位移的控制水平相当，桩基、墩和梁内力控制基本一致。

综合考虑减隔震性能与经济性，横桥向采用耗能防落梁方案，顺桥向采用电涡流阻尼器效果更佳。