速度鎖定型減隔震支座設計與性能分析

顧海龍，王 勇

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000)

長聯大跨連續梁橋是鐵路橋梁中常見的結構形式，其設計難點在于固定墩的設計。當地震發生時，上部梁體在縱橋向產生的地震力作用于一個固定墩上，為使固定墩能夠滿足相關設計標準要求，需將固定墩的尺寸加大，導致工程設計難度增加。因此，需要降低固定墩所受縱橋向地震力。一種常見的做法是在活動墩的縱橋向設置速度鎖定器[1]。地震發生時，速度鎖定器固定活動墩梁墩的相對位移，使得各活動墩的受力形式與固定墩相同，并與固定墩一起分擔縱橋向地震力[2]。采用該方案的橋梁有津秦客運專線(60+100+100+60)m大跨度連續梁橋[3]、成灌線大跨度連續梁橋等[4]。該方法的缺點是：由于速度鎖定器將各活動墩變成了固定墩，使得整個橋梁體系變為剛構體系，加大了整個橋梁體系所受的地震力。對于高震區橋梁，該方法同樣會使橋墩的設計產生困難。

目前速度鎖定器的設置方法有2種：①速度鎖定器設置于梁體與橋墩之間；②速度鎖定器與球型鋼支座組合成一體[5]，或是速度鎖定器與E型鋼阻尼支座組合成一體[6]。除了上述設置方法外，采用雙曲面球型減隔震支座[7-9]與速度鎖定器組合形成的新型支座能夠更好地解決大震工況下長聯大跨橋梁的抗震問題。作用原理是：在小震時支座能夠使活動墩變為固定墩，并與固定墩一起分擔地震力；大震時各墩支座均能起到減隔震作用，震后支座可復位。

本文以成都—昆明鐵路成都至峨眉段擴能改造工程中新青衣江特大橋為例，采用速度鎖定型雙曲面球型減隔震支座抗震措施，進行不同地震工況下的抗震計算分析，對比橋梁減隔震效果。通過抗震計算獲取支座各項減隔震參數，完成支座樣品制造，進而開展減隔震性能試驗研究，驗證支座設計性能。

1 橋梁概況

成都—昆明鐵路成都至峨眉段擴能改造工程新青衣江特大橋為六跨連續梁橋(40+4×64+40)m，橋址設計基本水平地震加速度峰值為0.1g，抗震設防烈度7度，場地特征周期0.45 s。該橋中間墩(39#)為固定墩，其他墩(36#,37#,38#,40#,41#,42#)均為活動墩。大橋梁跨布置如圖1所示。

圖1 大橋梁跨布置示意

2 橋梁減隔震設計

為避免固定墩及固定支座承受較大的作用力，該橋采用減隔震裝置功能，具體設計內容如下。

1)橫橋向：支座橫向始終硬抗，即支座限位裝置在地震力發生時不發生破壞。

2)縱橋向：小震時速度鎖定器鎖定支座平面滑移功能，各主墩縱向活動支座的功能變為固定支座，橋梁體系近似于剛構橋，則地震力分配至各主墩共同承受，以減小固定墩地震力。大震時速度鎖定器將支座平面摩擦副“鎖死”，通過速度鎖定器傳遞的水平力將支座縱向限位裝置約束解除，各主墩支座均成為縱向活動型的雙曲面球型減隔震支座，延長了橋梁縱橋向的振動周期，并通過摩擦耗能消耗輸入的地震能量，發揮減隔震作用。地震后，支座的自復位功能使橋梁回復到原位置附近。

3 支座基本設計參數

橋梁邊墩采用常規球型支座，其余主墩采用速度鎖定型雙曲面球型減隔震支座。設計方案針對主墩支座進行設計分析。支座基本設計參數包括：設計豎向承載力 15 000 kN，橫橋向承載力 2 250 kN；支座結構形式為固定(GD)和縱向活動(ZX)；支座正常位移(非地震情況下)為±100 mm和±150 mm兩種；設計轉角為0.02 rad。

4 支座特殊設計參數

通過抗震分析確定支座其余設計參數，包括縱向極限承載力、震后位移、等效曲面半徑、滑動摩擦因數及速度鎖定力。

4.1 抗震分析方案

1)支座采用常規支座布置方案，即固定墩設置固定支座，其余墩設置縱向活動支座，計算罕遇地震工況下支座及橋墩的縱橋向地震響應。

2)地震工況采用0.7倍設計地震水準。活動墩支座增設黏彈性消能器模擬速度鎖定器，使其與平面摩擦副并聯。根據計算結果確定限位裝置及速度設計器相應的設計參數。

3)設置合適的滑動摩擦因數和等效曲面半徑，計算罕遇地震工況下縱橋向地震響應，確定相關設計參數。

4.2 有限元模型

采用MIDAS建立有限元模型，采用黏滯阻尼器一般連接單元模擬速度鎖定器[10]。支座平面布置如圖2所示。

圖2 支座平面布置示意

4.3 計算分析結果

4.3.1 普通支座抗震分析

支座采用普通支座，罕遇地震作用下縱橋向地震內力響應見表1，結果顯示固定墩內力響應最大。

表1 罕遇地震作用下縱橋向地震內力響應

4.3.2 地震工況為小震

此工況計算的目的是確定支座限位裝置水平極限承載力和速度鎖定器鎖定力。

支座限位裝置水平極限承載力的取值與橋梁的抗震設防水準相關。根據橋墩和基礎的抗力，擬采用0.7倍設計地震水準時支座的水平反力作為雙曲面球型減隔震支座的水平極限承載力，即當橋梁承受大于0.7倍設計地震水準的地震時，支座的限位裝置解除約束，發揮減隔震支座作用。速度鎖定器受力計算結果見表2，結果顯示活動墩與固定墩共同分擔地震水平力。

表2 速度鎖定器受力計算結果 kN

支座水平極限承載力和速度鎖定力見表3。為了保證經速度鎖定器傳遞給限位裝置的地震力能夠解除限位裝置約束，將速度鎖定器的最大鎖定力與限位裝置縱橋向水平極限承載力的比值設置為1.40～1.50。

表3 支座水平極限承載力和速度鎖定力

注：F1為限位裝置縱橋向水平極限承載力，kN；F2為速度鎖定器的鎖定力，kN；K為限位裝置縱橋向水平極限承載力與速度鎖定力的比值；1個支座共包括2個速度鎖定器。

4.3.3 地震工況為大震

按減隔震支座滑動摩擦因數為0.03，等效曲面半徑為4.2 m進行縱橋向罕遇地震分析。罕遇地震下縱橋向地震內力響應見表4。罕遇地震下支座震后位移見表5。

表4 罕遇地震下縱橋向地震內力響應

采用減隔震率來表示減隔震裝置(速度鎖定器+雙曲面球型減隔震支座)的減隔震效果，減隔震率=(普通支座內力-減隔震裝置內力)×100%/普通支座內力；減隔震效果見表6。可知，采用速度鎖定型減隔

表5 罕遇地震支座震后位移

震支座后，固定墩減隔震效果顯著，減隔震率可達85%以上，明顯減小了縱橋向固定墩地震內力響應，表明采用速度鎖定器+雙曲面球型減隔震支座方案替換原普通支座方案效果良好。

4.3.4 支座設計參數

綜合正常參數和減隔震參數，速度鎖定型雙曲面球型減隔震支座設計參數見表7。

表6 減隔震效果

表7 速度鎖定型雙曲面球型減隔震支座設計參數

注：每臺速度鎖定型雙曲面球型減隔震支座配2臺速度鎖定器；橫橋向水平承載力為硬抗式承載力。

1-底座板；2-下座板；3-中座板；4-上座板；5-速度鎖定器圖3 速度鎖定型減隔震支座結構

5 支座結構及功能設計

5.1 支座結構設計

速度鎖定型減隔震支座結構如圖3所示。減隔震支座關鍵零件包括球面四氟滑板、球面不銹鋼滑板、限位裝置、平面不銹鋼滑板、平面四氟滑板。速度鎖定器關鍵零件包括硅膠泥、密封件、活塞桿、缸體、端蓋。

5.2 支座功能設計

5.2.1 正常運營狀態

支座在正常運營下，豎向荷載、溫度位移及轉角實現途徑如下：

1)豎向荷載。支座所承受的豎向載荷經上座板、上球面摩擦副、中座板、下球面摩擦副、下座板、平面摩擦副和底座板，最終傳遞至墩臺墊石。

2)溫度位移。支座底座板上表面的不銹鋼滑板與支座下座板的四氟滑板組成平面摩擦副，支座縱橋向溫度位移由平面摩擦副實現。正常溫度升高和溫度下降時滑移速度很小。速度鎖定器不鎖定，隨著平面摩擦副一起運動。速度鎖定器產生的阻力通常小于其設計值的10%，故速度鎖定器不會影響支座正常溫度位移。

3)支座轉角。支座的轉角由雙球面不銹鋼滑板與雙球面四氟滑板組成的球面摩擦副的相對滑移來實現。

5.2.2 小震地震狀態(小于0.7倍設計地震水準)

縱向地震發生時，支座平面摩擦副的相對運動速度超過速度鎖定器的鎖定速度，因此速度鎖定器將支座平面摩擦副“鎖死”，縱向活動支座與固定支座一起承擔縱橋向地震力。

5.2.3 大震地震狀態(大于0.7倍設計地震水準)

縱向地震發生時，支座平面摩擦副由于速度鎖定器的作用而固結，縱向限位裝置所受水平力超出其極限承載力，縱向限位裝置解除約束。通過雙球面不銹鋼滑板與雙球面四氟滑板組成的球面摩擦副的相對滑移來實現地震位移。支座以設計的摩擦因數和等效曲面半徑進行滑移，從而延長橋梁振動周期，降低動力加速度，降低橋梁受到的地震力。支座滑移過程中動能轉化為勢能，通過支座摩擦副摩擦耗能逐漸消耗地震能量，支座往復滑移位移隨之減小。支座上部梁體自重形成回復力，使支座最終停留在初始位置附近。

6 支座檢測

6.1 檢測方案

6.1.1 豎向壓縮變形

支座的豎向承載能力測試按GB/T 17955—2009《橋梁球型支座》[11]規定執行。支座在設計載荷作用下，其豎向壓縮變形應小于支座總高的1%。

6.1.2 水平滯回性能

支座的水平滯回性能試驗按JT/T 927—2014《橋梁雙曲面球型減隔震支座》[12]規定執行。滑移剛度=豎向承載力/等效半徑，試驗值與設計值的偏差應小于10%，摩擦因數為0.03～0.04。

6.2 檢測結果

速度鎖定型減隔震支座試驗見圖4。支座型式試驗結果見表8。可知，支座檢測結果合格。

圖4 速度鎖定型減隔震支座試驗

表8 KZQZ-LUB15000/1000-ZX-e150支座型式試驗結果

7 結論

成都—昆明鐵路成都至峨眉段擴能改造工程新青衣江特大橋采用了速度鎖定型減隔震支座抗震措施，對不同地震工況下的抗震進行計算分析和支座樣品性能試驗，主要結論如下：

1)小震時活動墩支座與固定墩支座共同承擔地震力，有效解決了固定墩受力大和設計困難問題。

2)大震時全部主墩上的支座共同實現橋梁減隔震作用，罕遇地震下橋梁縱向震后位移較小，固定墩減隔震率可達85%以上，橋梁減隔震效果顯著。

3)支座型式試驗顯示，支座滑動摩擦系數和屈后滑移剛度滿足設計要求，驗證支座良好性能。