高速鐵路大跨連續(xù)梁-拱組合結(jié)構(gòu)抗震性能研究

李 艷,王江波,牛遠(yuǎn)志,馬 廣

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 概述

伴隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國高速鐵路建設(shè)也取得了飛速的進(jìn)步，隨著設(shè)計(jì)、施工建造水平的大幅提高，大跨度高速鐵路橋梁層出不窮，其中大跨連續(xù)梁-拱組合結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的造型、良好的受力體系備受青睞。高速鐵路大跨度連續(xù)梁拱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是梁體自重大、橋墩剛度大，在高烈度震區(qū)固定墩設(shè)計(jì)困難，其在地震中的安全性需要深入研究，加之我國處于世界兩大地震帶之間，地震活動多而且劇烈[1-5]，因此研究地震作用下高速鐵路大跨連續(xù)梁-拱組合結(jié)構(gòu)抗震性能具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。以一座跨度(110+228+110) m大跨連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)為背景，進(jìn)行了其抗震性能研究，顯示出減隔震設(shè)計(jì)的有效性，為后續(xù)的類似工程提供參考設(shè)計(jì)。

(110+228+110) m大跨連續(xù)梁拱為鹽通鐵路鹽城南特大橋的一部分，主橋采用3跨連續(xù)梁橋，主橋兩側(cè)邊界聯(lián)均接32 m簡支梁，采用圓端形橋墩，墩高在10～16.5 m，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，地質(zhì)資料主要為粉質(zhì)黏土和粉土，場地類別為Ⅲ類，全橋立面如圖1所示。

圖1 (110+228+110) m大跨連續(xù)梁拱全橋立面(單位：cm)

本長聯(lián)連續(xù)梁拱位于高震區(qū)，固定墩墩底地震響應(yīng)彎矩和剪力值非常大[6-8]，而此時強(qiáng)制要求固定墩及其基礎(chǔ)滿足強(qiáng)度要求是不經(jīng)濟(jì)的，采用延性抗震設(shè)計(jì)發(fā)生的損傷修復(fù)困難，采用常規(guī)橋梁支座無法滿足抗震設(shè)防要求，因此擬針對結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊抗震設(shè)計(jì)，提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間。

針對本結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，擬采用4種抗震體系進(jìn)行對比：(1)采用普通支座體系，進(jìn)行延性設(shè)計(jì)；(2)采用速度鎖定器體系，縱橋向活動墩和聯(lián)間墩分別設(shè)置速度鎖定器，分擔(dān)固定墩受力，橫橋向仍是普通固定支座；(3)黏滯阻尼器體系，縱橋向全部采用滑動支座半漂浮體系，兩個主墩設(shè)置黏滯阻尼器，橫橋向仍是普通固定支座；(4)雙曲面隔震支座體系，縱橫向都采用雙曲面球型減隔震支座進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)。

2 地震動輸入和有限元模型建立

2.1 地震動輸入

該橋橋址處地震基本烈度為Ⅶ度，地震基本加速度為0.15g，場地類別為Ⅲ類[9-10]，詳細(xì)安評結(jié)果如表1所示。

表1 鹽城南特大橋地震安評場地地表

2.2 有限元模型建立

圖2 (110+228+110) m連續(xù)梁拱橋有限元模型

大橋采用Midas Civil有限元計(jì)算分析程序，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的總體構(gòu)造布置，建立了結(jié)構(gòu)動力特性和地震反應(yīng)分析的三維有限元模型(圖2)。其中，主梁、橫梁和橋墩用梁單元模擬；樁基礎(chǔ)采用等效的土彈簧單元模擬土-樁基礎(chǔ)的相互作用；考慮地震作用下活動支座滑動摩擦效應(yīng)和雙曲面減隔震支座的非線性；考慮邊界條件的影響，邊界簡支梁跨在大跨側(cè)縱向全部為活動支座，考慮邊界聯(lián)簡支梁跨的橫向影響，將聯(lián)間簡支梁的自重、二期恒載以及活載轉(zhuǎn)化為集中質(zhì)量，施加于相應(yīng)位置；三摩擦副雙曲面球型減隔震支座通過采用摩擦擺單元和鉤單元、間隙單元并聯(lián)來模擬支座的平面摩擦副，采用曲面摩擦擺單元模擬支座的曲面摩擦副，兩個摩擦副串聯(lián)；在有限元模型中采用墩頂節(jié)點(diǎn)與其對應(yīng)主梁節(jié)點(diǎn)主從約束來模擬速度鎖定器裝置的作用；黏滯阻尼器采用Midas有限元自帶的阻尼器單元進(jìn)行模擬。

3 抗震體系比選結(jié)果

針對第二部分的不同抗震比選方案進(jìn)行了最控制工況的比選，見表2。從表2可以看出，最終選擇縱、橫向都比較適用性強(qiáng)的雙曲面減隔震支座方案為推薦方案。

表2 不同抗震分析方案的比選結(jié)果

4 雙曲面減隔震支座參數(shù)設(shè)計(jì)

目前，鐵路橋梁雙曲面減隔震支座已經(jīng)在國內(nèi)很多重大鐵路工程中得到應(yīng)用，如寶蘭高鐵、京沈高鐵等項(xiàng)目。本橋雙曲面減隔震支座的噸位達(dá)到160 000 kN，是目前國內(nèi)最大噸位的鐵路雙曲面球型減隔震支座。

雙曲面球型減隔震支座參數(shù)包括：豎向承載力、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角、正常位移、等效曲率半徑、水平極限承載力及滑動摩擦系數(shù)，其中需要通過抗震分析確定的支座參數(shù)為等效曲率半徑、水平極限承載力及滑動摩擦系數(shù)[11-18]。

水平極限承載力的取值與橋梁的抗震設(shè)計(jì)水準(zhǔn)相關(guān)，根據(jù)橋墩和基礎(chǔ)的抗力和剪力銷更換頻率，通過比選來選定剪斷時刻。為了選出合理剪斷時刻，進(jìn)行了1.05倍、1.2倍、1.5倍下多遇地震剪斷時刻下部基礎(chǔ)的計(jì)算，考慮到下部基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)難度(多遇地震下彈性設(shè)計(jì)，罕遇地震下的基本彈性設(shè)計(jì))和兼顧剪力銷更換的頻率，以及后期養(yǎng)護(hù)維修的成本，推薦水平極限承載力為1.05倍多遇地震的支座水平反力。

等效曲率半徑及滑動摩擦系數(shù)的取值需通過抗震分析，既滿足橋墩受力要求，又控制梁體與橋墩的相對位移不超出一定范圍。

4.1 等效曲率半徑

為了選擇合適支座的等效曲率半徑，進(jìn)行了兩種工況的分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

從表3可以看出，支座等效曲率半徑增大，地震位移增加。為了避免支座出現(xiàn)過大的地震位移，應(yīng)該適當(dāng)減小支座的等效曲率半徑，同時支座曲率半徑增大會帶來支座平面尺寸和支座質(zhì)量的增大，增加造價(jià)，工況2比工況1的支座質(zhì)量增大15%。綜合考慮，本項(xiàng)目采用工況1的等效半徑取值方案：即豎向承載力為8 000 kN和160 000 kN的雙曲面支座的曲率半徑R分別為2.5 m和6.0 m。

表3 不同曲率半徑的地震位移

4.2 摩擦系數(shù)

為了選擇合適的摩擦系數(shù)，先后計(jì)算了摩擦系數(shù)為0.05，0.06，0.08的地震位移，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同摩擦系數(shù)下的地震位移

由表4可知，當(dāng)摩擦系數(shù)較小時，地震位移較大，增大曲面摩擦副的摩擦系數(shù)可有效降低地震位移。本項(xiàng)目選用的雙曲面減隔震支座摩擦系數(shù)取值為0.06。

4.3 減隔震效果分析

根據(jù)上述參數(shù)比選設(shè)計(jì)得出的減隔震支座參數(shù)，進(jìn)行雙曲面減隔震支座的減隔震效果分析，計(jì)算結(jié)果見表5。

減震率=1-雙曲面減隔震支座響應(yīng)值/非減隔震常規(guī)支座響應(yīng)值

表5 雙曲面球型減隔震支座減隔震效果分析

由表5可知，采用雙曲面減隔震支座減隔震效果顯著，剪力減隔震率為59.9%～86.7%，彎矩減隔震率為70.9%～88.6%，明顯減小了縱橋向固定墩和橫橋向各墩的地震內(nèi)力響應(yīng)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了條件。

5 結(jié)論與建議

針對大跨連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)在高烈度震區(qū)固定墩設(shè)計(jì)困難的問題，通過采用普通支座體系、速度鎖定器體系、黏滯阻尼器體系、雙曲面減隔震支座體系4種不同的抗震方案進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，采用雙曲面減隔震支座優(yōu)勢明顯[19-20]。

通過雙曲面減隔震支座參數(shù)設(shè)計(jì)，選取了合適的支座參數(shù)，大跨連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)采用雙曲面減隔震支座后，剪力減隔震率為59.9%～86.7%，彎矩減隔震率為70.9%～88.6%，明顯減小了縱橋向固定墩和橫橋向各墩的地震內(nèi)力響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來較大空間。需要注意的是采用雙曲面減隔震支座后，支座滑動位移會變大，需要通過設(shè)置緩沖彈塑性擋塊等抗震構(gòu)造措施來防止碰撞破壞、落梁等地震災(zāi)害的發(fā)生。