黃瑞峰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

在建城際鐵路需跨越眾多交通干道、江河及溝谷障礙時，大跨度連續梁橋因其良好的經濟性、成熟的設計和施工技術而成為首選方案。大跨度連續梁橋的大噸位支座以及對溫度、收縮徐變等次內力的高敏感性導致其在高烈度地震區的抗震設計成為控制關鍵。近年來由于減隔震技術的快速發展以及對防災救援的理性思考，通過減隔震技術來改善大跨度連續梁橋的抗震性能得到了大力發展和推廣。對于大跨度連續梁橋的抗震問題，常規的解決方案是延性設計和減隔震設計[1-2]。延性設計的特點是在地震力作用下橋墩結構本身產生塑性變形，從而延長了結構周期，同時消耗了地震能量。減隔震設計的特點是使用減隔震裝置來延長結構周期或增加結構阻尼以減小地震效應。對于城際鐵路而言，若采用延性設計，震后修復工作量巨大不易開展，且大跨度連續梁支座噸位較大，延性設計很難滿足規范要求[3-4]。因此，本文針對鐵路網高烈度區的大跨度連續梁橋，通過采用減隔震支座和黏滯阻尼器相結合的措施研究其減隔震性能及工程應用情況。

1 工程概況及模型

1.1 工程概況

西法城際作為陜西關中城際鐵路網的關鍵組成部分，不僅是連接西安北站與咸陽國際機場的軌道交通要道，也是陜西城際鐵路網中的交通干線和旅游環線。新建橋梁跨越高速公路時，按照立交協議采用(77+128+77)m預應力混凝土連續梁跨越道路，總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置 (單位：cm)

連續梁上部設計為變高度單箱室箱形截面，中墩支點梁高9.3 m，邊墩支點梁高5.5 m。主墩均采用尺寸為4.6 m×9.8 m的圓端形實體墩，邊墩分別采用3.8 m×8.2 m的圓端形實體墩和4.0 m×9.4 m的圓端形空心墩；各墩高度為11.5～21.0 m；主墩采用20-φ180 cm 摩擦樁，邊墩采用12-φ150 cm摩擦樁。

1.2 有限元模型

通過MIDAS/Civil軟件建立實橋的空間梁單元模型。鉆孔樁基的模擬采用6自由度的彈簧，按“m”法計算樁基彈簧。根據地質專業勘察報告可知，橋址處地層為飽和粉細砂土及粉黏土夾層，按勘探報告計算考慮20 m液化深度。二期恒載采用等效質量均布于主梁之上。

1.3 地震動選取輸入

橋梁位于8度區(地震動峰值加速度為0.2g，特征周期Tg為0.4 s)，地震烈度較高，且該橋主跨跨度較大，支座噸位大，橋墩墩高低，地震響應大。結合波速測井試驗結果及規范要求，按50年超越概率63%，10%，2%分別擬合3條人工波。本文取其中具有代表性的人工波作為地震波輸入進行罕遇地震(50年超越概率2%)響應分析，見圖2。

圖2 罕遇地震下的人工波時程曲線

2 減隔震原理及措施

2.1 減隔震原理

摩擦擺減隔震支座的設計特征在于利用摩擦耗能實現減震功能，利用擺動延長周期來實現隔震。摩擦擺球形支座的模擬采用常規的雙線性彈性模型，其典型的荷載-位移滯回曲線見圖3。其中：Kp為支座初始剛度；Kc為屈服后剛度；Keff為等效剛度；dy為屈服位移;μ為動摩擦因數；W為豎向荷載。

圖3 支座的荷載-位移滯回曲線

黏滯阻尼器由缸體、活塞、液壓閥和硅油組成，其特點是活塞通過循環往復運動帶動內部液體流動以產生阻尼效果。阻尼力與速度的關系表達式為

F=CVα

式中：F為阻尼力；C為阻尼系數；V為相對運動速度；α為速度指數，取值范圍為0.01～2.00，實際橋梁工程常規的取值范圍均在0.2～0.5。

黏滯阻尼器作為剛度結構，并不會改變結構固有的動力特性，僅為整體結構提供附加阻尼。由上式可知，在正常溫度應力、收縮徐變作用下，阻尼器速度極小，所產生的阻尼力基本不影響結構的正常工作狀態；但在地震情況下梁體和墩頂之間相對運動速度較大，輸出的阻尼力也較大，且阻尼器本身的往復運動也會有效消耗地震能量[3]。

2.2 減隔震措施

通過對比計算及參數研究，確定該橋邊墩、主墩分別采用豎向承載力 8 000，60 000 kN 的減隔震支座，等效半徑分別為2.5，6.0 m，動摩擦因數均為0.05；阻尼系數均為 4 000 kN/(mm·s-1)，速度指數均為0.3，設計噸位均為 3 500 kN。 全橋共設12個阻尼器，其中主墩各4個，邊墩各2個。主墩阻尼器的布置如圖4所示。

圖4 阻尼器布置示意(單位：cm)

在遭遇多遇地震時，可認為連續梁僅通過固定墩來單獨承受全聯的地震作用，摩擦擺支座的剪力銷完好，僅由支座摩擦耗能來保證橋梁結構的正常使用及多遇地震下橋梁的伸縮位移。一旦超越多遇地震，剪力銷喪失功能，主墩、邊墩則共同分擔地震效應，支座通過摩擦耗能、延長周期，進而降低地震效應；黏滯阻尼器開始工作，阻尼器耗能可控制墩梁之間的相對位移在合理范圍內[4]。

3 減隔震分析

通過MIDAS/Civil建立有限元模型，根據實際工程模擬摩擦擺支座和黏滯阻尼器，從而研究多遇地震作用下橋梁結構的自振特性和地震響應。計算結果表明：采用摩擦擺支座和黏滯阻尼器相結合的減隔震措施，可明顯延長結構的自振周期；在罕遇地震下墩身及基礎結構均處于彈性工作范圍，且墩梁之間的相對位移有效控制在20 cm之內。采用減隔震措施后主橋第1階自振周期為2.94 s，相比之前的1.34 s，減隔震設計可有效延長自振周期，且效果較為明顯[5-8]。

在罕遇地震作用下順橋向、橫橋向179#—182#墩的墩底地震響應見表1。可知，在摩擦擺支座和黏滯阻尼器相結合的減隔震設計下，可有效地將地震響應較為平均地分配到各墩，從而使全聯連續梁共同抗震。

表1 罕遇地震作用下墩底地震響應 kN·m

罕遇地震作用下181#墩的阻尼輸出見圖5。可知，該橋阻尼器的最大輸出結果為 3 353 kN。對照常用設計參數選定設計噸位為 3 500 kN 的阻尼器。

圖5 罕遇地震作用下181#墩阻尼輸出

圖6 罕遇地震作用下181#墩相對位移

罕遇地震作用下181#墩相對位移見圖6。可知，順橋向、橫橋向位移最大值分別為11.1，15.4 cm。

罕遇地震作用下181#墩阻尼滯回曲線見圖7。可見，曲線線形飽滿，耗能效果明顯。

圖7 罕遇地震作用下181#墩阻尼滯回曲線

根據罕遇地震作用下地震響應結果，采用中鐵第一勘察設計院集團有限公司自編軟件對橋墩及樁基下部結構進行檢算，混凝土應力及鋼筋應力各項指標均在規范限值內，橋墩、樁基均未超出彈性范圍。

4 結論

1)摩擦擺減隔震支座和黏滯阻尼器相結合的減隔震措施，可有效協調各墩均勻分擔地震響應，優化結構的抗震性能，順橋向和橫橋向的減震效果均較明顯。

2)罕遇地震作用下橋墩和樁基下部結構均處于彈性工作范圍，墩梁之間的相對位移在合理范圍內。

3)對于鐵路大跨度連續梁結構而言，采用組合減隔震措施可有效保障災后通道的順暢，明顯降低災后維修難度及成本。