考慮碰撞效應的鐵路隔震橋梁非線性地震反應

唐 峰 肖質江 王 炎

(1.金華市交通規劃設計院有限公司，浙江金華 321005;2.浙江理工大學建筑工程學院，浙江杭州 310018)

1 概述

地震作為自然災害之一，嚴重危害到人們的生命及國家財產安全。歷次地震災害表明，地震將導致大量的橋梁倒塌，給搶險救災帶來嚴重的影響［1-4］。中國高速鐵路橋梁建設取得了實質性進展，鐵路橋梁作為鐵路交通的咽喉，在現代運輸體系中至關重要。采用隔震支座對橋梁進行隔震設計，可以在地震時有效地控制橋梁地震力和位移，可使橋梁結構在經歷強震后仍能滿足橋梁安全和功能要求。合理的橋梁隔震設計，可以使隔震支座在限制地震力傳遞的同時，滿足大位移的要求［5］。

本文以某高速鐵路客運專線上采用摩擦擺式支座的32 m簡支梁橋為對象，用有限元軟件模擬分析了該橋的縱向地震反應，討論了減隔震支座的減震性能及碰撞效應對結構的影響。

2 結構概況

圖1為某新建鐵路客運專線上采用摩擦擺式支座的雙線特大橋總體布置圖，該橋的孔跨布置為24×32 m，采用預應力混凝土簡支箱梁橋結構，截面為單箱單室等高度箱梁，梁端頂板、底板及腹板局部向內側加厚。橋梁寬12.0 m，橋梁建筑總寬12.28 m。箱梁標準斷面圖見圖2。

3 有限元計算模型

根據設計意圖，在地震作用下上部結構和橋墩保持彈性狀態，故橋墩和主梁均采用線性梁單元模擬;橋墩下端采用固定約束，忽略土與結構之間的相互作用;橋墩與箱梁之間的減隔震支座以及支座的碰撞效應均采用非線性彈簧單元模擬。全橋計算模型共用520個線彈性梁單元和406個支座彈簧單元。圖3為結構有限元計算模型示意圖。

圖4為摩擦擺式支座的力學模型，它是利用球面滑動提供恢復剛度和摩擦耗能，當滑塊離開中心點時，受到的水平分力F為:

當θ較小時，水平分力可近似為:

其中，W為支座豎向反力;D為水平擺動距離;R為滑動面曲率半徑;μ為滑動面摩擦系數;θ為中心滑塊位置擺角。

根據本橋設計參數得到的減震支座荷載—位移曲線如圖5所示。圖中，Fy為支座屈服力;K1，K2分別為支座的一次和二次剛度［6］。

考慮到地震動作用下，支座位移有可能超出支座的最大限位而發生碰撞現象。為此，本文計算分析的計算中考慮碰撞效應，在有限元計算模型中模擬了碰撞彈簧。碰撞彈簧采用雙直線計算模型，二次剛度取支座彈簧二次剛度的50 000倍，如圖6所示為限位30 mm的碰撞彈簧的荷載—位移力學模型。為得出規律性結果，本文分析了屈服位移分別為20 mm，30 mm，40 mm，50 mm四種工況，這幾種屈服位移對應的屈服力均為0.000 1 kN。

4 地震動選擇

本文在進行非線性地震反應分析時，地震荷載沿橋的縱向分別施加在每個橋墩的底部節點上。圖7給出了輸入地震動的加速度時程圖，圖中的橫坐標為時間T，豎坐標為地震動加速度時程A。地震動加速度反應譜如圖8所示，從圖8可以看出，計算分析選取的地震動與設計目標反應譜基本吻合，可以較好的反映結構所處場地的地震特性。

5 計算結果

為對比分析減隔震支座的減隔震效果，圖9給出了采用摩擦擺式支座和采用普通支座兩種不同結構的墩頂最大位移計算結果。圖中豎坐標為采用減隔震支座的結構墩頂最大位移與采用非減隔震支座的結構墩頂最大位移之比(Ds/D0)，橫坐標為橋墩編號。從圖中的數據可以看出:考慮支座限位引起的碰撞效應后，所有橋墩墩頂橫向位移均呈增大趨勢，限位越小，增大越明顯。相對于普通支座來說，大部分墩頂位移還是呈減小趨勢，個別橋墩墩頂位移呈增大趨勢。支座限位為20 mm時，墩頂位移與普通支座的計算結果的比值在52.65%～29.91%變化，個別橋墩的最大比值達到221.74%;支座限位為30 mm時，比值在73.38%～18.58%變化，個別橋墩的最大比值達到204.35%;支座限位為40 mm時，比值在85.75%～8.70%變化，個別橋墩的最大比值達到313.04%;支座限位為50 mm時，比值在16.67%～5.60%變化。

圖10給出了采用摩擦擺式支座和普通支座兩種不同結構的墩底最大剪力計算結果。圖中豎坐標為采用減隔震支座的結構墩底最大剪力與采用非減隔震支座的結構墩底最大剪力之比(Fs/F0)，橫坐標為橋墩編號。從圖中的數據可以看出:考慮支座限位引起的碰撞效應后，所有橋墩墩底剪力均呈增大趨勢，限位越小，增大越明顯。相對于普通支座來說，大部分橋墩墩底剪力還是呈減小趨勢，個別橋墩墩底剪力呈增大趨勢。支座限位為20 mm時，墩底剪力與普通支座的計算結果的比值在88.36%～38.86%變化，個別橋墩的最大比值達到226.74%;支座限位為30 mm時，比值在85.06%～23.45%變化，個別橋墩的最大比值達到305.09%;支座限位為 40 mm 時，比值在 96.13%～10.56%變化，個別橋墩的最大比值達到317.33%;支座限位為50 mm時，比值在 34.62%～8.66%變化。

圖11給出了采用普通支座和摩擦擺式支座兩種不同結構的墩底彎矩計算結果。圖中豎坐標為采用減隔震支座的結構墩底最大彎矩與采用非減隔震支座的結構墩底最大彎矩之比(Ms/M0)，橫坐標為橋墩編號。從圖可以看出:考慮支座限位引起的碰撞效應后，所有橋墩墩底彎矩均呈增大趨勢，限位越小，增大越明顯。相對于普通支座來說，大部分橋墩墩底彎矩還是呈減小趨勢，個別橋墩墩底彎矩呈增大趨勢。支座限位為20 mm時，墩底彎矩與普通支座的計算結果的比值在76.80%～32.02%變化，個別橋墩的最大比值達到225.95%;支座限位為30 mm時，比值在67.71%～20.35%變化，個別橋墩的最大比值達到204.93%;支座限位為40 mm時，比值在97.41%～8.77%變化，個別橋墩的最大比值達到315.23%;支座限位為50 mm時，比值在20.19%～6.26%變化。

6 結語

本文以某高速鐵路客運專線上采用摩擦擺式支座的32 m簡支梁橋為對象，建立了考慮支座碰撞效應的非線性三維有限元計算模型，并對其進行地震時程反應分析，得到以下幾點結論:

1)地震動作用下，采用摩擦擺式支座后，橋梁墩頂縱向位移顯著減小。但是隨著墩頂縱向位移的減小，支座相對位移卻大大增大，超出支座的限位。

2)考慮支座的碰撞效應后，所有支座的相對位移均滿足支座的限位要求，但是墩頂位移及墩底內力均有增大趨勢，特別是個別橋墩的墩頂位移及墩底內力較采用普通支座的結構地震響應有放大現象。

3)隨著支座限位的增大，墩頂位移及墩底內力均呈減小趨勢。

［1］張向民，陳秀方.無縫線路軌道穩定性簡便計算方法［J］.鐵道學報，2007(1):124-126.

［2］薛素鐸，趙 偉，李雄彥.摩擦擺支座在單層球面網殼結構中的隔震分析［J］.世界地震工程，2007(2):41-45.

［3］楊風利，鐘鐵毅，夏 禾.鐵路簡支梁橋減隔震支座設計參數的優化研究［J］.鐵道學報，2006(3):128-132.

［4］韓 艷，夏 禾.地震作用下高速鐵路橋梁的動力響應及行車安全性研究［J］.中國鐵道科學，2006(3):136-138.

［5］張 輝.大跨度預應力混凝土鐵路連續梁橋地震響應及減隔震研究［D］.長沙:中南大學，2008.

［6］王 炎，謝 旭，申永剛.近場地震作用下鐵路減震橋梁地震響應研究［J］.鐵道學報，2012(12):102-109.