高速鐵路多跨簡支梁橋摩擦擺支座隔震效果分析

高速鐵路多跨簡支梁橋摩擦擺支座隔震效果分析

在高速鐵路（包括客運線路）的使用下，橋梁被廣泛應(yīng)用于道路上。橋梁的比例達到線路總高度的70%以上，其中大部分為32m和24m的簡形箱梁。為了滿足高速列車運行的安全性和舒適度指標,高速鐵路橋梁的上部梁體、下部橋墩及基礎(chǔ)的剛度都很大。剛度大、基頻高、低矮的橋墩較多是高速鐵路橋梁的顯著特征?，F(xiàn)有高速鐵路橋墩絕大多數(shù)只配有少量的護面鋼筋,其截面配筋率通常在0.1%~0.3%之間,屬于重力式橋墩。重力式橋墩的周期短、自重大、其地震力亦大,在強震中易破壞。低矮墩的剪跨比較小,呈現(xiàn)剪切破壞。中等高度的高速鐵路橋墩在支座處承受較大地震作用易先于橋墩發(fā)生破壞;另一方面,配筋率在0.1%~0.3%之間的重力式橋墩是否具有延性、能否出現(xiàn)明顯塑性鉸區(qū)目前也尚不明確,因為現(xiàn)有的延性抗震研究成果都基于公路橋梁及建筑結(jié)構(gòu)的高配筋率(﹥0.5%)小截面尺寸墩柱。高速鐵路橋梁的自振周期均較小,理論上更適合采用隔震技術(shù)。但高速平穩(wěn)行車的安全性、舒適性、巨大的列車活載對高速鐵路橋梁支座的耐久性、初始剛度有嚴格的要求,一般的減、隔震裝置難以滿足要求,故國內(nèi)尚沒見到有關(guān)高速鐵路橋梁應(yīng)用減、隔震支座的文獻報導(dǎo)。鉛芯橡膠減震支座已在數(shù)百座橋梁上得到了應(yīng)用,但其存在豎向承載能力有限,耐久性差、穩(wěn)定性差等問題,不適用于高速鐵路橋梁。減震榫及E型鋼阻尼支座能克服常用減、隔震裝置用于高速鐵路橋梁時在承載能力、耐久性及穩(wěn)定性等方面存在的難題,可用于高速鐵路橋梁的減、隔震,但它們震后不能自復(fù)位。摩擦擺支座具有承載能力高、穩(wěn)定性良好、復(fù)位功能和抗平扭能力強等特點,已在國外橋梁的抗震設(shè)計及抗震加固中得到了廣泛的應(yīng)用,但缺少有關(guān)高速鐵路橋梁在摩擦擺支座減、隔震方面的研究。本文探討了高速鐵路橋梁基于摩擦支座的減、隔震設(shè)計原則與方法,重點分析了高速鐵路橋梁基于摩擦支座的減、隔震效果。1單擺式斜拉索減減法圖1為在球形支座基礎(chǔ)上研發(fā)的一種摩擦擺支座,主要由滑動曲面、滑動塊、抗滑螺栓與抗滑塊(剪力鍵)等組成。剪力鍵失效前,剪力鍵與靜摩擦力共同抵抗水平力,支座在下曲面處不發(fā)生滑動,此時使用球形支座的功能。剪力鍵失效后,由單擺的工作原理(見圖2)可知,結(jié)構(gòu)按固定的周期沿滑動曲面滑動,進而減小梁部傳到下部結(jié)構(gòu)中的地震作用。該摩擦擺支座采用正常使用功能與減、隔震功能分離,同時具備普通球形支座與摩擦擺支座的兩種功能,能滿足高速列車正常使用條件下各項要求,可用于高速鐵路橋梁減、隔震設(shè)計。摩擦擺支座利用滑動來延長結(jié)構(gòu)的振動周期,擺動周期T按式(1)計算。通過滑動摩擦來耗散地震能量。此外,曲面滑動面具不僅有一定的震后自復(fù)位功能,還可以在一定程度上限制支座發(fā)生較大位移。式中,T為摩擦擺支座的隔震周期;R為滑動曲面的曲率半徑。2初始剛度和擺動剛度對于直線橋梁,摩擦擺支座的恢復(fù)力模型近似為雙線性[12~13],見圖3。圖中,Ki為數(shù)值計算時需要輸入的初始剛度,可按式(2)近似計算;Kfps為擺動剛度,按式(3)計算。式中,μ為滑動摩擦系數(shù);Dy為屈服位移;W為豎向荷載。3設(shè)置彎力鍵以減輕橋梁振動理想的減、隔震裝置應(yīng)同時具備以下3個基本功能:(1)周期延長功能:隔震體系的基本周期應(yīng)延長到足夠大,從而避開地震能量集中的頻率范圍;(2)阻尼或能量耗散功能:可以利用阻尼或能量耗散功能在一定程度上減小由隔震引起的相對位移;(3)正常使用功能:減、隔震裝置應(yīng)具有足夠的水平剛度可以保障橋梁正常工作。普通(未設(shè)剪力鍵)的摩擦擺支座,靠摩擦力來維持穩(wěn)定,滑動前有足夠的剛度來保障橋梁正常工作。當摩擦力不能抵抗高速鐵路列車制動力時,需要在支座中增設(shè)剪力鍵以滿足正常使用。此外,摩擦擺支座中增設(shè)剪力鍵,并在預(yù)期地震中犧性支座中的剪力鍵也是高速鐵路橋梁實現(xiàn)基于性能減震設(shè)計的重要手段之一。鑒于高速鐵路橋梁對抗震性能的要求較高,為盡可能地減少頻發(fā)的小地震對高速度鐵路橋的影響,提高強震下高速鐵路橋梁的抗震性能,本文建議高速鐵路橋梁減、隔震設(shè)計時應(yīng)盡量遵循如下原則:(1)多遇地震下,支座不發(fā)生擺動,利用支座及下部結(jié)構(gòu)的強度抗震,結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài);(2)設(shè)計地震下,利用支座的擺動隔震及摩擦耗能減震,結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài);(3)罕遇地震下,利用支座的擺動隔震及摩擦耗能減震,結(jié)構(gòu)處于基本彈性狀態(tài)。針對以上設(shè)計原則,給出的高速鐵路橋梁基于摩擦擺支座的隔震設(shè)計方法如下:(1)擦擺枝條不發(fā)生擺動多遇地震作用下,驗算結(jié)構(gòu)強度。通過設(shè)置抗滑螺栓及限滑塊(見圖1)實現(xiàn)摩擦擺支座不發(fā)生擺動?？够菟ǖ募魯嗔Σ坏陀谥苿恿εc多遇地震下支座水平力的較大值,為安全起見建議再考慮一個介于1.2~1.5之間的安全系數(shù)。此階段地震反應(yīng)分析時,摩擦擺支座與普通球形支座相似,可采用主從約束模擬。(2)擺合成擺動模型設(shè)計地震作用下,抗滑螺栓剪斷、摩擦擺支座發(fā)生擺動。摩擦擺支座采用雙線性模型(見圖3)。隔震前后橋墩控制截面的地震彎矩小于其初始屈服彎矩,m法驗算時樁基礎(chǔ)處于彈性狀態(tài)。(3)m法驗算的彎矩罕遇地震作用下,摩擦擺支座的功能與設(shè)計地震下相近相同,但驗算時要求隔震前后橋墩控制截面的地震彎矩小于其等效屈服彎矩,m法驗算時樁基礎(chǔ)處于彈性狀態(tài)。4抗彎壓法的高速鐵路橋梁衰減4.1iii類場地fpb參數(shù)某高速鐵路的4×32m簡支梁橋如圖4所示,墩高H=13m,直坡圓端形截面。橋址位于8度地震區(qū),罕遇地震下地震峰值加速度為0.38g,II類場地,場地特征周期Tg=0.35s。以3#橋墩順橋向為摩擦擺支座的隔震研究對象,按上述原則確定FPB參數(shù)見表1,支座的布置如圖5所示。沿順橋向輸入水平地震動,為了考查地震動的離散性,選擇了II類場地規(guī)范反應(yīng)譜人工合成地震動兩條(人工波-1,人工波-2)和El-centro強震記錄,作為輸入地震動,并將它們的幅值調(diào)整一致。4.2擺合成事結(jié)構(gòu)主梁為C50混凝土、橋墩及承臺為C30混凝土。采用MIDAS軟件建立空間有限元模型,用彈性時程分析方法進行普通支座的彈性地震反應(yīng)分析,用非線性時程分析方法進行摩擦擺支座的減、隔震反應(yīng)分析。主梁、橋墩及承臺均采用彈性梁單元模擬。在承臺底采用平動、轉(zhuǎn)動及耦聯(lián)彈簧模擬樁基礎(chǔ)對橋梁的約束作用,彈簧剛度按m法計算。普通支座的約束自由度采用墩、梁主從約束模擬,摩擦擺支座采用前述的恢復(fù)力模型。分析時未考慮抗滑螺栓剪斷的能量耗能作用。4.3不同墩高的震響效果目前高速鐵路重力式橋墩的高度多在7m~15m之間。為考查墩高變化對減、隔震效果的影響,除1#~5#的墩高由13m調(diào)整為7m,其余參數(shù)保持不變。13m墩高隔震前后,3#墩的地震反應(yīng)見表2和圖6。7m墩高隔震前后,3#墩的地震反應(yīng)見表3和圖7。減震率=(普通支座-FPB)/普通支座×100%。4.4震前震反應(yīng)分析為考查地震強度對隔震效果的影響,僅將3條地震動加速度峰值均統(tǒng)一調(diào)整到0.57g,進行隔震前后的地震反應(yīng)分析,分析結(jié)果見表4及圖8所示。4.5場地類型對減、隔震效果的影響針對鐵路規(guī)范III類場地(Tg=0.45s)反應(yīng)譜人工合成了2條地震動(人工波-3、人工波-4),與天津記錄一起作為III類場地輸入地震動,并將它們的幅值統(tǒng)一調(diào)整到0.38g,研究場地類型對減、隔震效果的影響,結(jié)果見表5。II類場地El-centro波及III類場地天津波的支座位移時程曲線見圖9。4.6地震反應(yīng)在墩底彎矩的影響及評價由表2、圖10~圖12可知,一組(3條)輸入地震下橋墩的地震反應(yīng)有一定的離散性,這與以前的橋梁減、隔震研究結(jié)論一致。從表2、表3、圖10~圖12可以看出,墩高對地震反應(yīng)及隔震效影響較大,墩高7m的32m簡支梁墩底彎矩的減震率在67%~89%之間,明顯高于墩高13m的減震率。由表2、表3及圖7可知,摩擦擺支座的最大水平滑動位移隨墩高的增加而增加。由表2、表4及圖10~圖12可知,地震強度對墩底彎矩大小的影響較大,但對減震率影響較小。第1條人工波的地面地震動峰值加速度(PGA)為0.38g時的隔震效果好于PGA為0.57g時的隔震效果,對于第2條人工波及強震記錄,PGA為0.38g時的減、隔震效果略大于PGA為0.57g的減、隔震效果?？傮w而言,地震強度對墩底彎矩的減、隔震效果的影響可以忽略。但由表2、表4及圖8可知,摩擦擺支座的最大水平滑動位移隨地震強度的增大而增加。由表2、表5及圖10~圖12可知,場地類別對非隔震橋的影響較大,對于墩高13m的橋梁而言,場地越差,地震反應(yīng)越大。對本橋而言III類場地的墩底彎矩隔震效果明顯好于II類場地。這是由于隔震前III類場地震動(人工波-3、人工波-4與天津波)引起的墩底彎矩明顯大于II類場地輸入地震動(人工波-1、人工波-2與El-centro強震記錄)的墩底彎矩,而隔震后兩者的墩底彎矩比較接近,所以III類場地的墩底彎矩隔震效果明顯好于II類場地。3條波中有2條引起的摩擦擺支座最大水平滑動位移大于II類場地,總體上來說,隔震支座在III類場地上的最大水平滑動位移需求大于II類場地。5彎矩和隔震效果的影響(1)摩擦擺支座對位于II類、III類場地、墩高7m及13m的高速鐵路橋梁的減、隔震效果顯著,摩擦擺支座在高速鐵路橋梁中有較好的應(yīng)用前景。(2)墩高對摩擦擺支座的墩底彎矩減、隔震效果有較大的影響,7m墩高的墩底彎矩減震率明顯好于13m墩高的墩底彎矩減震率。(3)墩高對