鐵路剛架系桿拱-連續箱梁組合橋地震響應分析

郭 飛

(廣鐵佛山西站工程建設指揮部，廣東廣州528225)

拱橋是我國鐵路橋梁中常用的橋型之一。我國是一個多地震國家，抗震防災工作正日益受到重視。拱橋主拱圈在強烈地震作用下，不僅在拱平面內受彎，而且還在拱平面外受扭，當地基由于強烈地震產生不均勻沉降時，主拱圈還會發生斜向扭轉和斜向剪切，因此，拱橋主拱圈通常作為橋梁抗震薄弱構件，其抗震設計不宜過分依賴于延性設計，而應該采取適當的減隔震措施。

目前，半漂浮、全漂浮等隔震體系的采用以及在大跨度橋梁的塔(墩)、梁之間設置減震裝置以減小結構地震響應已成為一種較成熟的減震控制手段，且報道了大量相關研究[2-8]。其中，張俊平系統論述了橋梁結構振動控制的發展，指出了橋梁橋梁結構振動控制的特點和存在的問題[2]；龔一瓊在對橋梁減隔震原理進行分析的基礎上，依據連續梁橋在地震作用時受力的特點，對連續橋梁的固定支座進行了減隔震設計[3]。研究表明，減隔震措施的采用可大大降低結構地震響應。然而，對于拱橋而言，由于主拱腳具有較大的推力，一般都嵌巖處理，無法采用隔震支承來減少地面運動的輸入。因此，針對拱橋減隔震的相關研究有待進一步加強。

本文基于結構減隔震機理，以某跨度(24+160+24)m的剛架系桿拱連續箱梁組合橋為工程背景，對比分析了減隔震措施采用前后橋梁結構的地震響應，并對減震裝置(粘滯阻尼器)參數進行了合理參數選取，為拱橋抗震設計提供參考。

1 計算理論

1.1 減隔震機理

橋梁結構減隔震主要是通過改善橋梁的約束形式以改變橋梁振動的動力特性，即通過增大結構的阻尼、延長振動周期等來達到減振的目的。

地震動的卓越周期一般在0.1～1 s之間，所以自振周期在0.1～1 s之間的結構的地震響應在地震時由于共振而被大幅度放大。當結構自振周期變大時，可以避開地震動中幅值顯著的分量，從而避免了共振和類共振現象的發生，減小結構的地震加速度反應，但結構周期增大時，如果阻尼不變，則結構的位移響應將增大，因此，為控制結構的位移響應，在增大結構周期的同時，應增大結構的阻尼。

1.2 粘滯阻尼器工作原理

粘滯阻尼器的基本構造由活塞、油缸及節流孔組成，這類裝置是利用活塞前后壓力差使油流過節流孔產生阻尼力，阻尼力與相對變形的速度關系可表達為式(1)。

F=CVα

(1)

式中：F為阻尼力，C是阻尼系數，V是速度，α是阻尼指數。

對于粘滯阻尼器的模擬，本文采用Maxwell模型，其力-變形關系見式(2)，模型示意圖見圖1。

(2)

式中:cd為阻尼系數；v0為參考速度(一般取1.0)；kb為連接彈簧剛度。

圖1 Maxwell模型示意

2 計算條件

以貴廣線某(24+160+24)m剛架系桿拱連續箱梁組合橋為工程背景。主梁采用單箱三室扁平鋼箱梁，梁高3.706 m，主跨橋面寬26 m，邊跨橋面寬25 m；拱肋采用鋼管混凝土結構，計算跨度L=160.0 m，矢高f=40.0 m；橫撐采用桁式空鋼管截面；吊桿順橋向間距8 m，橫向吊桿間距24.2 m，采用順橋向雙吊桿體系，全橋共設17組吊桿；每側設6束61孔單根張拉可換索式鋼絞線系桿。支座布置形式為18號主墩支座縱橋向固定，17號主墩以及邊墩支座縱橋向活動。拱橋Midas模型見圖2。

圖2 拱橋Midas模型(單位：m)

本橋橋址區場地類別屬Ⅱ類，設計地震分組為1組，抗震設防烈度為7度，設計特征周期0.35 s，峰值加速度0.1g，罕遇地震水平地震基本加速度a為0.21g。根據橋址區基本地震動參數擬合人工地震波，調整地震波加速度幅值等于0.21g作為罕遇地震等級的輸入地震波，見圖3。

圖3 輸入地震波

橋梁阻尼采用瑞利阻尼模式，結構阻尼比取5%[9]；粘滯阻尼器阻尼系數C取值2 000～10 000 kN/(m/s)α；從橋梁抗震角度看，阻尼指數α常用值一般在0.2～1.0范圍內[5]。

3 算例

跨徑(24+160+24)m的剛架系桿拱連續箱梁組合橋原結構體系為拱墩固結、主梁約束形式等同連續梁，其中，18號主墩為固定墩，17號主墩以及邊墩均為活動墩。為提高此橋梁抗震能力，采用減隔震體系(釋放18號主墩支座縱橋向約束使主梁縱橋向半漂浮，同時設置粘滯阻尼器減震裝置)，減震裝置全橋對稱布置，即在17、18號主墩墩頂設置粘滯阻尼器。

3.1 粘滯阻尼器參數分析

考察粘滯阻尼器系數C和粘滯阻尼指數α的取值對拱橋的受力、變形的影響。圖4給出了拱橋拱肋內力、主梁梁端位移隨阻尼參數的變化規律，并與未設置減震裝置的隔震體系響應作對比。

(a)阻尼參數對拱橋軸力的影響

(b)阻尼參數對拱腳彎矩的影響

(c)阻尼參數對梁端位移的影響圖4 阻尼參數對拱橋內力、位移的影響

由圖4可知，拱橋拱肋內力、主梁梁端位移對阻尼參數的變化較敏感，且變化規律性有一定差異。當阻尼指數α一定時，隨阻尼系數C的增大，拱肋拱腳軸力、主梁梁端位移顯著降低。而對于拱腳縱橋向彎矩，當α取值0.2～0.4時，彎矩值隨阻尼系數C的變化較敏感，且隨著C的增大，拱腳截面彎矩值也增大，并超過了未設置阻尼器時的拱腳截面彎矩值。當α取值0.6～1.0時，彎矩值隨阻尼系數C的變化較不敏感，彎矩值控制于21 000 kN·m以下；對未設置減震裝置的隔震體系橋梁進行應力計算分析知，地震波作用下拱肋彎曲應力為軸向應力的2～3倍，故彎矩作為減震參數選擇的主要控制內力。綜合考慮結構內力、位移響應規律，可以認為阻尼系數C取值6 000 kN/(m/s)α，阻尼指數α取值0.6對結構較合理。

3.2 地震響應對比

將減隔震體系橋梁(減震裝置按3.1節參數選取)的地震響應與原結構體系進行對比。圖5給出了減隔震體系與原體系拱橋拱肋內力、主梁梁端位移時程，表1給出了減隔震體系與原體系拱橋拱肋內力、主梁梁端位移峰值。

圖5、表1可知，減隔震體系的采用可有效降低結構的內力響應并控制梁端位移。其中，相比原結構體系，軸力響應降低17 %～64 %，彎矩降低20 %～53 %，梁端位移控制在36 mm以下；對于原結構體系橋梁，由于主梁約束形式不對稱，致使拱肋受力不均，拱腳兩側受力差異較大，減隔震體系的采用，可有效降低其差異性。其中，拱腳軸力響應差異量降低15 %，拱腳彎矩響應差異量降低10 %。

4 結論

(1)拱橋拱肋內力、梁端位移對阻尼系數C、阻尼指數α較敏感，合理選取阻尼參數，可有效降低結構內力、位移響應。綜合考慮結構內力、位移響應規律，可以認為阻尼系數C取值6 000 kN/(m/s)α，阻尼指數α取值0.6對結構抗震較有利。

(2)減隔震體系的采用可有效降低結構的內力響應并控制梁端位移，提高拱橋的抗震能力。其中，相比原結構體系，軸力響應降低17%～64%，彎矩降低20%～53%，梁端位移控制在36 mm以下。

(3)減隔震體系的采用，可促使拱肋兩側受力趨于均勻。其中，拱腳軸力響應差異量降低15 %，拱腳彎矩響應差異量降低10 %。

[1] 范立礎. 橋梁抗震[M]. 上海：同濟大學出版社, 1997

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