采用摩擦擺支座及U型鋼防落梁裝置的高速鐵路簡支箱梁橋地震響應敏感性分析

臧曉秋，曹志峰，吳成亮

(1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2．株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007; 3．武漢鑫拓力工程技術有限公司，湖北武漢430074)

采用摩擦擺支座及U型鋼防落梁裝置的高速鐵路簡支箱梁橋地震響應敏感性分析

臧曉秋1，曹志峰2，吳成亮3

(1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2．株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007; 3．武漢鑫拓力工程技術有限公司，湖北武漢430074)

以高速鐵路簡支箱梁橋隔震研究為例，建立了采用摩擦擺支座與U型鋼防落梁裝置組合地震保護方案的全橋地震響應分析模型，針對支座位移、墩底剪力、墩底彎矩等地震響應，考慮了場地類別、橋墩高度、橋梁跨數、橋梁跨度、激勵方向等影響因素，并根據各因素選定的水平級別，實施了混合正交試驗，再應用極差分析方法對支座位移、墩底剪力、墩底彎矩等地震響應進行了影響因素的敏感性分析，明確了各因素對相關響應量影響的主次情況，為高速鐵路簡支箱梁橋隔震研究及優化設計奠定了基礎。

高速鐵路;簡支箱梁橋;摩擦擺支座;U型鋼防落梁裝置;地震響應;敏感性分析

高速鐵路建設中大量選用以橋代路，橋梁比例最高達到線路總長度的80%以上。我國地處環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，是一個地震災害嚴重的國家。高速鐵路橋梁結構在地震作用下的安全性問題亟待解決，而橋梁隔震技術是一種有效的地震保護手段。隔震設計是提高結構抗震能力的一種設計方法，其本質就是將結構與可能引起破壞的地面運動分離開來，要達到這個目的，可通過延長結構的自振周期、避開地震能量集中的范圍，阻止共振的積累，從而降低結構的地震力。但延長周期會引起結構的位移增大，為了控制過大位移，需在結構中引入阻尼裝置。根據簡支箱梁的結構特點、梁端布置及各種隔震裝置、阻尼裝置的性能差異，高速鐵路簡支箱梁橋的隔震措施選擇了摩擦擺支座與鋼阻尼防落梁的組合方式。

本文以我國高速鐵路常用簡支箱梁橋為例，建立了采用摩擦擺支座與U型防落梁裝置組合地震保護方案的全橋地震響應分析模型，針對支座位移、墩底剪力、墩底彎矩等地震響應，考慮了場地類別、橋墩高度、橋梁跨數、橋梁跨度、激勵方向等影響因素，并根據各因素選定的水平級別實施了混合正交試驗，再應用極差分析方法對支座位移、墩底剪力、墩底彎矩等地震響應進行了敏感性分析。

1　摩擦擺支座及U型鋼防落梁裝置

摩擦擺支座是一種性能優良的地震保護裝置，它安置在梁底與墩頂之間，具有承載能力高、位移能力大、耐久性強、可自動復位等優點，在國外橋梁地震保護設計中得到了廣泛應用。摩擦擺支座由凹球面上支座板、雙面凸球面球冠襯板、凹球面下支座板、附著于上、下支座板的不銹鋼板與嵌固于球冠襯板的滑板構成的滑動摩擦副等主體部件構成，見圖1。摩擦擺支座是利用單擺原理設計而成，單擺周期僅與擺長半徑有關，與質量塊的質量大小無關，因此橋梁結構安裝摩擦擺支座后的自振周期由球冠襯板球面半徑決定。通過摩擦擺支座球面半徑的合理取值可以自由調整橋梁結構的自振周期，使橋梁的自振周期遠離(避開)該地區的地震特征周期;同時，摩擦擺支座通過滑板與不銹鋼之間的摩擦吸收地震能量，可以進一步減緩橋梁結構的地震響應。

圖1　摩擦擺支座構造示意

與摩擦擺支座配套使用的U型鋼防落梁裝置在正常運營情況下并不參與工作，不承受任何豎向力、水平力;在地震作用下摩擦擺支座發生擺動時，防落梁裝置發生履帶式滾動變形并產生阻尼，當梁體位移超過阻尼位移設計值時，U型防落梁裝置轉化成防落梁拉桿，有效阻止落梁，即兼顧了減隔震與防落梁的雙重功能。U型阻尼防落梁裝置構造見圖2。

圖2　U型鋼防落梁裝置

2　結構地震響應分析

2.1模型及輸入地震波

高速鐵路簡支箱梁橋隔震設計地震響應敏感性分析的模型，選用高速鐵路預應力混凝土常用跨度雙線整孔簡支箱梁，橋墩為雙線圓端形空心橋墩;橋址抗震設防烈度取8度，設計地震動峰值加速度為0.3g;隔震設計采用摩擦擺支座與U型鋼防落梁裝置組合方案，其中摩擦擺支座的球面曲率半徑為3 m，設計摩擦系數為0.05，U型防落梁裝置的設計阻尼位移為±100 mm。計算模型計入梁部及橋面系剛度，考慮相鄰橋跨之間的地震響應相互影響。荷載包括結構自重及橋面二期恒載，地震作用下箱梁和橋墩保持彈性狀態，橋墩和箱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。橋墩與箱梁之間用非線性彈簧連接模擬摩擦擺支座以及U型鋼防落梁裝置的作用，摩擦擺支座采用雙線性模型，滯回曲線見圖3，U型鋼防落梁裝置也采用雙線性模型，滯回曲線見圖4。根據以上條件建立5跨簡支箱梁橋的地震響應分析模型。

由于結構地震響應取決于結構本身的動力特性以及輸入地震波的特性，因此選擇合理的地震波是進行時程分析的基礎。常用的地震波包括根據規范反應譜擬合的人工地震波、地震災害性分析提供的人工地震波、歷史記錄的實際地震波。實際地震的記錄是有限的，不可能完全符合設計要求，人工模擬地震波是抗震性能試驗和計算分析中常用的一種方式，這是因為人工模擬地震波能夠按照設計地震反應譜要求來完成，并且能夠根據特定的場地類型自由選取。本文采用反應譜擬合方式獲取輸入地震波，根據《鐵路工程抗震設計規范》(GB 50111—2006)及《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2001)確定地震動加速度反應目標譜，圖5給出了人工模擬地震波的波形，圖6為人工模擬地震波計算譜與目標譜之間的對比圖。

圖3　摩擦擺支座滯回曲線

圖4　U型鋼防落梁裝置滯回曲線

圖5　人工模擬地震波

圖6　人工模擬地震波計算譜與目標譜對比

2.2正交試驗設計

在工業生產和科學研究實踐中，往往需要考察的因素比較多，因素水平數也常常多于2個，如果對每個因素的每個水平都相互搭配進行全面試驗，試驗次數是驚人的，如果用正交試驗設計來安排試驗，則試驗次數會大大減少，而且統計分析計算也將變得簡單。對于采用摩擦擺支座和U型鋼防落梁裝置的高速鐵路簡支箱梁橋來說，支座位移、墩底剪力、墩底彎矩是需要重點關注的地震響應量，場地類型、橋墩高度、橋梁跨數、橋梁跨度、激勵方向等因素均會對其產生影響，明確判斷各因素的影響程度及主次順序，是更好的進行高速鐵路簡支箱梁橋隔震設計的關鍵。對于簡支箱梁橋隔震設計的敏感性分析，需考慮的因素及其各自水平級別如表1所示。若要對上述各影響因素水平的組合進行全面試驗，則需做256次數值分析，而采用正交試驗方法最少僅需32次，因此為了以最少的試驗次數反映出全面試驗的信息，本次分析采用正交試驗方法進行，將橋梁激勵方向單獨列出來，做平行對比試驗，對其他因素選用3因素4水平和1因素2水平混合正交，如表2所示。

表1　因素水平

表2　L16(43×21)混合正交表

2.3計算結果

根據確認的結構計算模型及參數，按混合正交表的因素組合，對采用摩擦擺支座和U型鋼防落梁裝置的高速鐵路簡支箱梁橋進行地震響應敏感性分析。當人工模擬地震波順橋向輸入時，各工況關鍵地震響應量的峰值計算結果如表3所示，當人工模擬地震波橫橋向輸入時，各工況關鍵地震響應量的峰值計算結果如表4所示。

表3　人工模擬地震波順橋向輸入正交試驗地震響應分析結果

表4　人工模擬地震波橫橋向輸入正交試驗地震響應分析結果

2.4正交試驗結果分析

正交試驗結果的分析采用極差分析法，該方法具有計算簡便、直觀形象、簡單易懂等優點，是正交試驗結果分析最常用的方法。極差的大小反映了試驗中各個因素影響的大小，極差大表明該因素對試驗結果的影響大，是主要因素;反之極差小表明該因素對試驗結果影響小，是次要因素或不重要因素。極差分析法首先計算出每一個水平的試驗指標值的總和與平均值，然后求出極差，根據極差的大小，分析各個因素對試驗指標值的影響程度，確定哪些因素是主要的，哪些因素是次要的。

表5、表6是根據表3、表4正交試驗結果，采用極差分析方法得到的考慮場地類別、橋墩高度、橋梁跨數、橋梁跨度等因素及其相應水平情況下支座縱、橫向位移極差分析表。從表5和表6可以看出，場地類別對于支座縱、橫向位移影響均最為顯著，對于支座縱向位移，橋梁跨數影響程度較大，橋梁跨度影響則不敏感，而對于支座橫向位移，橋梁跨度影響程度較大，橋梁跨數影響則不敏感。因此，對于支座縱向位移，其對影響因素的敏感程度依次為:場地類別＞橋梁跨數＞橋墩高度＞橋梁跨度;對于支座橫向位移，其對影響因素的敏感程度依次為:場地類別＞橋梁跨度＞橋墩高度＞橋梁跨數。

表5　支座縱向位移極差分析mm

表6　支座橫向位移極差分析mm

表7、表8是根據表3、表4正交試驗結果，采用極差分析方法得到的考慮場地類別、橋墩高度、橋梁跨數、橋梁跨度等因素及其相應水平情況下墩底縱、橫向剪力極差分析表。從表7和表8可以看出，橋墩高度和場地類別是影響墩底剪力的兩個主要因素，橋墩高度對于墩底縱向剪力更為顯著，場地類別則對于墩底橫向剪力影響更為顯著，另外對于墩底縱向剪力，橋梁跨數影響程度也較大，橋梁跨度影響則不敏感，而對于墩底橫向剪力，橋梁跨度影響程度較大，橋梁跨數影響則不敏感。因此，對于墩底縱向剪力，其對影響因素的敏感程度依次為:橋墩高度＞場地類別＞橋梁跨數＞橋梁跨度;對于墩底橫向剪力，其對影響因素的敏感程度依次為:場地類別＞橋墩高度＞橋梁跨度＞橋梁跨數。

表7　墩底縱向剪力極差分析結果kN

表8　墩底橫向剪力極差分析結果kN

表9、表10是根據表3、4正交試驗結果，采用極差分析方法得到的考慮場地類別、橋墩高度、橋梁跨數、橋梁跨度等因素及其相應水平情況下墩底縱、橫向彎矩極差分析表。從表9和表10可以看出，橋墩高度對于墩底縱、橫向彎矩影響均最為顯著，場地類別居其次，另外對于墩底縱向彎矩，橋梁跨數影響程度也較大，橋梁跨度影響則不敏感，而對于墩底橫向彎矩，橋梁跨度影響程度較大，橋梁跨數影響則不敏感。因此，對于墩底縱向彎矩，其對影響因素的敏感程度依次為:橋墩高度＞場地類別＞橋梁跨數＞橋梁跨度;對于墩底橫向彎矩，其對影響因素的敏感程度依次為:橋墩高度＞場地類別＞橋梁跨度＞橋梁跨數。

表9　墩底縱向彎矩極差分析結果kN·m

表10　墩底橫向彎矩極差分析結果kN·m

3　結論

本文以高速鐵路簡支箱梁橋隔震研究為例，建立了采用摩擦擺支座與U型鋼防落梁裝置組合地震保護方案的全橋地震響應分析模型，針對支座位移，墩底剪力、彎矩地震響應，考慮了場地類別等影響因素，并根據各因素選定的水平級別實施了混合正交試驗，應用極差分析方法對支座位移，墩底剪力、彎矩等地震響應進行了敏感性分析，得到以下結論:

1)場地類別對于支座縱、橫向位移影響均最為顯著，對于支座縱向位移，橋梁跨數影響程度較大，橋梁跨度影響則不敏感，而對于支座橫向位移，橋梁跨度影響程度較大，橋梁跨數影響則不敏感;

2)橋墩高度和場地類別是影響墩底剪力的兩個主要因素，橋墩高度對于墩底縱向剪力影響更為顯著，場地類別則對于墩底橫向剪力影響更為顯著，另外對于墩底縱向剪力，橋梁跨數影響程度也較大，橋梁跨度影響則不敏感，而對于墩底橫向剪力，橋梁跨度影響程度較大，橋梁跨數影響則不敏感;

3)橋墩高度對于墩底縱、橫向彎矩影響均最為顯著，場地類別居其次，另外對于墩底縱向彎矩，橋梁跨數影響程度也較大，橋梁跨度影響則不敏感，而對于墩底橫向彎矩，橋梁跨度影響程度較大，橋梁跨數影響則不敏感。

綜上所述，當高速鐵路簡支箱梁橋隔震設計采用摩擦擺支座與U型鋼防落梁裝置的組合方案時，為控制結構的受力狀態應著重關注場地類別和橋墩高度對結構地震響應的影響;為了控制支座位移，防止落梁，除場地類別外還應關注橋梁跨數和橋梁跨度對結構地震響應的影響。

［1］陳永祁，馬良澤．結構保護系統的應用與發展［M］．北京:中國鐵道出版社，2015．

［2］中華人民共和國建設部．GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范［S］．北京:中國計劃出版社，2009．

［3］高孟潭．《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)宣貫教材［M］．北京:中國標準出版社，2015．

［4］楊慶山，田玉基．地震地面運動及其人工合成［M］．北京:科學出版社，2014．

［5］李云雁，胡傳榮．試驗設計與數據處理［M］．2版．北京:化學工業出版社，2015．

［6］王巖，隋思漣．試驗設計與MATLAB數據分析［M］．北京:清華大學出版社，2012．

(責任審編 孟慶伶)

Sensitive Analysis on Seismic Response of Simply Supported Box Girder Bridge on High Speed Railway Using Friction Pendulum Bearings and U-shaped Steel Combined Earthquake Protection Device

ZANG Xiaoqiu1，CAO Zhifeng2，WU Chengliang3
(1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．Zhuzhou Times New Material Technology Co．，Ltd．，Zhuzhou Hunan 412007，China;3．Wuhan Xintuoli Engineering Technology Co．，Ltd．，Wuhan Hubei 430074，China)

In this paper，the seismic isolation of simply supported box girder bridges on high speed railway was studied．A bridge model with friction pendulum bearings and a U-shaped steel com bined earthquake protection device was built for seismic response analysis，including the seismic response of bearing displacement，and shear and moment at the pier bottom．Multiple factors including site types，pier height，number of bridge spans，bridge span length and excitation direction were considered．A mixed orthogonal test was carried out according to the selected level of each factor．Using range analysis method，sensitivity analysis of each factor was carried out on the seismic response of bearing displacement，and shear and moment at the pier bottom．The primary and secondary cases of theim pact of various factors on the relevant response were analyzed．It may provide guidelines for seismic isolation and design optimization of simply supported box girder bridges on high speed railway．

High speed Railway;Simply supported box girder bridge;Friction pendulum bearing;U-shaped steel Combined earthquake protection device;Seismic response;Sensitivity analysis

U442．5+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．02

1003-1995(2016)11-0005-05

2016-08-10;

2016-09-08

中國鐵路總公司科技研究開發計劃(2014G010-B)

臧曉秋(1972—)，女，研究員，碩士。