低屈服點鋼阻尼器在高速鐵路簡支梁橋中的應用研究

倪燕平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，陜西西安 710043)

1 高速鐵路橋梁用低屈服點鋼減震榫

為了滿足列車高速運行的安全性和舒適度指標，高速鐵路橋梁設計時，對于上部梁體到下部橋墩和基礎都偏重于剛度的考慮。或者說，高速鐵路橋梁沿用了傳統鐵路橋梁普遍采用的重力式橋墩，這種橋墩造價低，與我國當前的經濟發展水平相當。

重力式橋墩由于橋梁的剛度大，基頻高，地震力的數值較大，在罕遇地震條件下，為實現延性設計的目標，就必須采用鋼筋混凝土橋墩，但由于橋墩截面尺寸大，即使采用最小配筋率，在罕遇地震作用下橋墩不可能進入塑性狀態，在遭遇強烈地震時，就無法利用結構的延性來降低地震響應，可能發生基礎先于墩身破壞的情況。為解決這一矛盾，鐵路震規［1］規定重力式橋墩不進行罕遇地震檢算。如果發生超出設計地震烈度的強烈地震，結構產生嚴重的損傷和破壞幾乎是不可避免的。因此，在高速鐵路橋梁抗震設計中引入減、隔震技術是解決高速鐵路橋梁抗震問題的關鍵［2-4］。

針對占總橋長95%以上的高速鐵路簡支梁橋，開發了一種低屈服點鋼阻尼器(鋼減震榫)，減震榫設置于梁部結構和橋墩之間，其下端錨固于橋墩頂帽上，上端通過傳力筒與梁體底面預埋的鋼板連接，使其與梁體實現理想的鉸接傳力(受力狀態與懸臂梁類似)，是彎曲型的低屈服點鋼阻尼器。

該裝置的特點在于引入了國際上先進的“支座功能分離”的設計理念［2］，即實現水平力傳遞和豎向力傳遞及轉動功能分離，支座承擔梁體豎向力支承及梁端的轉角功能，而水平反力及水平位移則由減震榫支撐和控制。地震作用時，通過鋼材良好的塑性變形能力實現自振周期的延長，并通過能量耗散來提高結構的阻尼比，從而大幅度降低橋墩及基礎的地震作用;由于塑性變形集中于鋼減震榫，而橋墩及基礎仍處于彈性工作狀態，因此大幅度提高了結構的抗震性能，從而真正實現了抗震的“三水準”，系統地解決了高速鐵路橋梁剛度大，配筋率低，難以出現塑性鉸的技術難題。

2 工程背景

為了分析鋼減震榫的減震效果，選取了橋址位于8度地區2類場地的三座代表性高速鐵路簡支梁橋作為研究對象(墩高分別為8 m，16 m，30 m)，場地特征周期Tg=0.4 s，罕遇地震的動峰值加速度為0.38g。

橋梁上部結構采用通橋2008(2322A)系列32 m簡支箱梁，恒載質量1 476 t。墩高8 m和16 m的橋墩采用通橋4301系列的圓端型實體墩(圖1)，基礎采用8根φ1.25 m的鉆孔樁，梅花形布置，承臺尺寸為7.2 m×12.0 m。墩高30 m的橋墩采用空心橋墩，其幾何參數及構造如圖2所示，基礎采用9根φ1.25 m的鉆孔樁，行列式布置，承臺尺寸為9.2 m×9.2 m。承臺厚度均為2.5 m。樁側土的比例系數 m=10 000 kN/m4，經計算基礎的柔度系數見表1。

圖1 實體墩幾何尺寸(單位:cm)

圖2 空心墩幾何尺寸(單位:cm)

表1 基礎的柔度系數

3 減震榫的力學性能參數

減震榫為設置于梁部結構和橋墩之間的低屈服點鋼構件，其下端錨固于橋墩頂帽上，上端通過傳力筒與梁體底面預埋的鋼板連接，使其與梁體實現理想的鉸接傳力。

為保證橋墩的正常使用功能，橋墩縱向線剛度不能因為與減、隔震裝置組合而有明顯削弱，因此鐵路橋的減、隔震裝置應具備較大的初始剛度。

基于以上考慮，當橋墩上設置減震榫時，在每個橋墩上設置8根減震榫，其線剛度達到2 640 kN/cm，對橋墩集成剛度的影響很小，其布置及基本構造如圖3和圖4所示。根據項目組在北京交通大學所做的減震榫力學性能試驗［5］，低屈服點鋼減震榫的滯回曲線特征值見表2。

圖3 減震榫安裝示意

圖4 減震榫1∶1模型

表2 減震榫(Ⅰ型)滯回曲線特征值

4 計算模型及結果

計算模型采用空間桿系有限元模型，梁及橋墩均采用梁單元模擬;支座均為活動支座，只約束豎向變形，而水平位移由減震榫提供約束，其他自由度不約束。減震榫采用非線性單元，其材料特性采用圖5的曲線模擬。計算分析時，首先假定減震榫的最大位移(見表3)，并根據位移從表2中選取減震榫的特征值，如果計算的最大位移與假定的最大位移不一致，則根據計算位移重新從表2中選取新的屈服荷載、屈后剛度，如此進行迭代計算，直至計算的最大位移與假定位移一致后輸出計算結果。

圖5 減震榫滯回特性等量線性化示意

表3 減震榫位移 m

研究中以《鐵路工程抗震設計規范》［1］的反應譜曲線(動峰值加速度Ag=0.38g，場地特征周期Tg=0.4 s)為目標曲線合成了3條人工加速度時程波，加速度時程分析結果采用3條波地震作用下的最大值，限于篇幅給出了其中一條波的時程曲線(圖6)。經計算，地震波輸入方向為縱橋向時，設置抗震榫前后縱向地震力對比見表4，橫向地震力對比見表5。設置抗震榫前后減震率對比見表6。限于篇幅只給出了墩高8 m時減震榫的滯回曲線(圖7和圖8)，可以看出減震榫具有良好的能量耗散能力。

圖6 人工地震波

表4 設置抗震榫前后縱向地震力的對比

表5 設置抗震榫前后橫向地震力的對比

表6 設置抗震榫前后的減震率

圖7 墩高8 m的橋墩減震榫的滯回曲線(縱向)

圖8 墩高8 m的橋墩減震榫的滯回曲線(橫向)

5 結論

低屈服點鋼減震榫結構簡單、性能穩定、初始剛度大、地震時可提供足夠的塑性變形，滿足了鐵路橋梁對減、隔震裝置的使用要求。設置減震榫后，在縱向罕遇地震作用下，橋墩墩底彎矩可減小43% ～77%，承臺底彎矩可減小為原來的52%～79%。在橫向罕遇地震作用下，橋墩墩底彎矩可減小55% ～81%，承臺底顯。橋墩的自身剛度越大，減震榫的減震效果越明顯，低矮橋墩的減震效果要明顯優于高墩。通過設置減震榫有效地解決了鐵路簡支梁橋采用重力式橋墩無法進行罕遇地震設計的難題，顯著提高了重力式橋墩的抗震性能，在高速鐵路橋梁設計中有廣泛的應用前景。

［1］中華人民共和國鐵道部.GB 50111—2009 鐵路工程抗震設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［2］李承根，高日.高速鐵路橋梁減震技術研究［J］.中國工程科學，2009(11):81-86.

［3］陳浩，高日，李承根，等.減震榫減震性能試驗研究［J］.低溫建筑技術，2010(10):28-30.

［4］王威，呂西林，徐崇恩.低屈服點鋼在結構振動與控制中的應用研究［J］.結構工程師，2007(6):83-88.

［5］中國鐵道建筑總公司.高烈度地震區橋梁采用減隔震技術的設計和應用研究［R］.北京:中國鐵道建筑總公司，2010.

［6］姜鵬，喻其炳，李川，等.高架橋支座安裝雙端質量減振元件的軌道減振性能分析［J］.鐵道建筑，2012(8):18-21.