九度地震區(qū)近斷層高速鐵路簡支梁橋新型減震榫結(jié)構(gòu)設(shè)計及減震性能研究

陳長征，戶東陽，李聰林，李沖杰，盧三平

(中鐵二院昆明勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，昆明 650200)

近年來，我國高速鐵路迅猛發(fā)展，在西南地區(qū)也得到了快速發(fā)展。在高速鐵路建設(shè)中，往往“以橋帶路”，使橋梁占線路總長度的比例越來越大[1-6]。高速鐵路的高速性及平穩(wěn)性要求，往往使高速鐵路橋梁整體剛度比較大[7-12]。由于我國是一個地震多發(fā)國家， 在地震作用下，尤其是在九度地震區(qū)，地震烈度極高，使剛度較大的橋梁地震響應(yīng)更為強烈，近斷層范圍內(nèi)易使墩梁發(fā)生較大的相對位移，為保證高速鐵路橋梁的安全性，需進行減隔震設(shè)計[13-17]，同時，對于九度地震區(qū)還需考慮豎向地震作用，防止梁體豎向跳梁[18]。因此，對于九度地震區(qū)高速鐵路橋梁進行抗震設(shè)計研究是非常必要的。本文將基于某九度地震區(qū)近斷層高速鐵路橋梁工程，提出一種新型減震榫適用于九度地震區(qū)近斷層高速鐵路簡支梁橋[19-20]，對減震榫進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及其減震性能研究。

1 簡支梁橋減隔震方案比選

某高速鐵路工程，有22.7 km橋梁位于九度地震區(qū)，且5次跨越了小江活動斷裂帶；此段地震動峰值加速度為0.40g，反應(yīng)譜特征周期0.45 s，抗震設(shè)計中需考慮水平向地震作用及豎向地震作用；近斷層范圍內(nèi)主梁易發(fā)生較大位移，需對位移進行控制。本工程上部結(jié)構(gòu)簡支梁采用32 m跨度，采用通用參考圖《時速350 km高速鐵路預(yù)制無砟軌道32 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁》，對應(yīng)圖號為通橋(2016)2322A-Ⅱ-1。支座采用雙曲面摩擦擺支座，其摩擦系數(shù)0.06，等效半徑2.6 m，豎向承載力5 500 kN。下部結(jié)構(gòu)橋墩(20 m墩高為例)采用C35混凝土，橋墩構(gòu)造見圖1。

圖1 墩高20 m橋墩構(gòu)造(單位：cm)

本文僅以10，20，30 m墩高為研究對象，通過初步采用摩擦擺支座進行地震時程分析，得出支座在設(shè)計地震及罕遇地震作用下位移，結(jié)果見表1。

表1 摩擦擺支座工況位移計算結(jié)果 m

罕遇地震下，支座位移(即墩梁相對位移)最大值已接近550 mm，即使設(shè)防到設(shè)計地震，震后位移依然接近300 mm，這在簡支梁橋中是難以實現(xiàn)的，必須采取額外的減震耗能或限位措施，進行方案比選，選擇最優(yōu)方案。

考慮鐵路簡支梁空間小、造價低的特點，黏滯阻尼器和速度鎖定器成本高、安裝復(fù)雜，不宜在簡支梁中使用，本文按表2選取5種方案作為對比措施，同時，結(jié)合鐵路防落梁功能需求，各方案中均布置防落梁擋塊。

表2 減隔震措施方案

為方便表述，本文僅列出20 m墩高計算結(jié)果，計算結(jié)果指標(biāo)如表3所示。

由表3可知，只有方案5才能滿足各項指標(biāo)要求。最終確定九度地震區(qū)高速鐵路簡支梁橋減隔震方案為雙曲面支座+減震榫+防落梁裝置。

2 減震榫結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 減震榫設(shè)計原理

減震榫與雙曲面支座組合使用，即構(gòu)成了具有減隔震功能的支座系統(tǒng)，見圖2。減震榫桿采用圓形截面，分為過渡段AB和核心耗能段BC，AB段的截面直徑呈線性變化，BC段的截面直徑變化滿足等強度設(shè)計要求，為保證減震榫表面狀態(tài)的圓滑，AB段與BC段在B點相切；連接底板通過高強螺栓與墩頂固結(jié)，可設(shè)置為圓形或方形。地震發(fā)生時，減震榫隨梁體位移而發(fā)生變形，從而產(chǎn)生彎曲塑性變形耗能。

圖2 減震榫-雙曲面支座系統(tǒng)

減震榫-雙曲面支座與傳統(tǒng)支座相比，特點在于其實現(xiàn)了支座的水平力傳遞與豎向支承功能的完全分離。梁體傳來的豎向反力仍由支座承擔(dān)，而梁體的水平反力及水平位移則由減震榫支承和控制。可以看出，減震榫與以往在橋梁支座處使用的金屬阻尼器的不同之處在于，其并不是作為一個附加裝置提供額外的剛度和阻尼，而是承擔(dān)著梁體水平荷載的重要構(gòu)件，在整個支座系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。減震榫一方面須在正常運營下滿足列車對橋梁剛度的使用要求，另一方面又要在強震下能夠產(chǎn)生足夠的延性變形，達到降低地震力的目的。

為給減震榫的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，對其核心性能參數(shù)進行理論估算公式的推導(dǎo)。減震榫受力特征與懸臂梁類似，忽略榫頭的影響，確定減震榫的計算簡圖如圖3所示。圖3中，μ為減震榫上、下兩端的相對水平位移，即減震榫的側(cè)移量；F為水平力；M為彎矩。

圖3 減震榫計算簡圖

若使核心耗能段BC同時發(fā)生屈服，則

d(y)=ay1/3

(1)

式中，d(y)為截面直徑；a為截面常數(shù)。以do、L1和L三個參數(shù)表示的減震榫截面直徑變化為

(2)

根據(jù)虛功原理可計算出力F作用下

(3)

故減震榫彈性剛度的理論公式為

(4)

fy為鋼材的屈服強度，由力的平衡條件可求得減震榫彈性極限荷載為

(5)

則彈性極限位移為

(6)

令彈性極限點與屈服點之間的關(guān)系為

Fy=γFe，μy=γue

(7)

式中，γ為換算系數(shù)，顯而易見γ>1，其經(jīng)驗取值需由試驗研究及有限元分析確定。在進行減震榫設(shè)計時，按式(2)確定減震榫的截面變化，并通過調(diào)整減震榫do、L1和L3個基本參數(shù)來達到預(yù)期的力學(xué)性能。

2.2 減震榫結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4 減震榫結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

根據(jù)工程特點及減震榫設(shè)計原理，設(shè)計了一款適用于九度地震區(qū)近斷層高速鐵路簡支梁橋的新型減震榫，該新型減震榫具有三向抗拉及耗能功能，與雙曲面支座共同組成減隔震系統(tǒng)。該新型減震榫主要有減震榫桿、梁底傳力裝置及墩臺錨固裝置組成，如圖4所示，減震榫桿由低屈服強度軟鋼制作而成。傳力套筒為分半結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有球型腔體，頂部和下部為貫通結(jié)構(gòu)，下部通孔出口處設(shè)置有倒圓及倒角結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置阻尼減震塊及轉(zhuǎn)動副。最終裝配時，分半式傳力套筒通過連接螺栓與減震榫形成一體。傳力套筒內(nèi)腔與減震榫榫頭的縱、橫橋向間隙均為20 mm。

當(dāng)水平地震來臨時，套筒在水平方向首先行進20 mm的空行程，然后與減震榫榫頭接觸，帶動減震榫進行水平滯回耗能。豎向地震來臨時，傳力套筒受豎向荷載，套筒底部與減震榫頭底部接觸，實現(xiàn)豎向抗拉功能。本次研究中，每個支座對應(yīng)1個減震榫，為保證在正常使用工況下，滿足升降溫梁體變形需求，在榫體頂部縱橫向需要設(shè)置一定的間隙，本次研究的間隙為0～4 cm。單個減震榫的力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 單個減震榫的力學(xué)參數(shù)

3 減震榫有限元建立

減震榫模型利用ANSYS有限元仿真分析軟件進行建立，在進行網(wǎng)格劃分時，考慮模型計算的收斂性，建模時忽略連接螺栓。減震榫的材料采用理想彈塑性材料，E=206 GPa，屈服強度230 MPa，泊松比0.3。傳力套筒的材料為彈性鋼材，E=210 GPa，泊松比0.3。由于緩沖橡膠墊圈材質(zhì)較軟，對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較小，故在分析時忽略緩沖橡膠墊圈。網(wǎng)格采用四面體單元，單元類型為C3D4，網(wǎng)格控制尺寸為20 mm，共有10 351個節(jié)點，41 892個單元，網(wǎng)格模型如圖5示。

圖5 減震榫有限元模型

4 減震榫有限元分析

4.1 水平滯回性能分析

結(jié)構(gòu)在極限位移時的應(yīng)力云圖及位移云圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 水平位移極限時的應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖7 水平位移極限時的位移云圖(單位：mm)

由圖6可知，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為633 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在套筒底部與榫頭接觸的部位，此處應(yīng)力值較大是因為套筒內(nèi)部與減震榫頭的擠壓導(dǎo)致，雖然應(yīng)力值較大，但是區(qū)域很小，對結(jié)構(gòu)強度影響較小。

由圖7可知，減震榫桿變形均勻，且減震榫頭與套筒在運動關(guān)系上未發(fā)生干涉現(xiàn)象。

減震榫的應(yīng)力云圖如圖8所示。減震榫在200 mm位移處，榫桿截面基本全部屈服，榫頭處個別接觸點位置發(fā)生了局部屈服。

圖 8 減震榫應(yīng)力云圖 (單位：MPa)

傳力套筒的應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖9、圖10所示。由位移云圖可知，套筒相對位移為0.001 mm，套筒變形較小，剛度滿足要求。由應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力為633 MPa，雖然應(yīng)力值較大，但是區(qū)域很小，對結(jié)構(gòu)強度影響較小。

圖9 傳力套筒應(yīng)力云圖 (單位：MPa)

圖10 傳力套筒位移云圖 (單位：mm)

減震榫在200 mm位移處的反力最大，最大反力為627.8 kN。連接螺栓規(guī)格為M39，因此連接螺栓的剪應(yīng)力及拉應(yīng)力均為491.3 MPa，未達到破壞應(yīng)力值，滿足使用要求。由圖11可以看出，減震榫滯回曲線飽滿、穩(wěn)定，減震榫耗能效果良好。

圖11 減震榫滯回曲線

4.2 豎向抗拉性能分析

九度地震區(qū)地震作用下，為防止梁體豎向跳梁引起的落梁風(fēng)險，按規(guī)范要求，須做豎向抗拉措施。

按支座豎向承載力的15%，即825 kN進行豎向抗拉驗算。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖12、圖13所示。

圖12 豎向拉應(yīng)力下結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖 (單位：MPa)

圖13 豎向拉應(yīng)力下結(jié)構(gòu)位移云圖 (單位：mm)

由應(yīng)力及位移云圖可知，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為114.8 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在套筒上與減震榫頭接觸的部位，結(jié)構(gòu)最大位移為0.29 mm。結(jié)構(gòu)的強度及剛度均滿足要求。

減震榫桿的應(yīng)力及位移云圖分別如圖14、圖15所示。減震榫最大應(yīng)力為100.3 MPa，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在榫頭與桿身的交接部位。減震榫最大位移為0.19 mm。減震榫強度及剛度滿足要求。

圖14 豎向拉應(yīng)力下減震榫桿應(yīng)力云圖 (單位：MPa)

圖15 豎向拉應(yīng)力下減震榫桿位移云圖 (單位：mm)

傳力套筒的應(yīng)力及位移云圖分別如圖16、圖17所示。傳力套筒最大應(yīng)力為114.8 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在與減震榫頭接觸的部位，同時也是結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力位置處。傳力套筒最大相對位移為0.67 mm。傳力套筒強度及剛度滿足要求。

圖16 豎向拉應(yīng)力下傳力套筒應(yīng)力云圖 (單位：MPa)

圖17 豎向拉應(yīng)力下傳力套筒位移云圖 (單位：mm)

5 結(jié)論

(1)在九度地震區(qū)近斷層范圍內(nèi)，單獨使用雙曲面支座不滿足規(guī)范要求，需采取額外的減震耗能或限位措施。

(2)減震榫在水平極限位移時，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為633 MPa，減震榫桿變形均勻，且減震榫頭與套筒在運動關(guān)系上未發(fā)生干涉現(xiàn)象，減震榫滯回曲線飽滿、穩(wěn)定，減震榫耗能效果良好。

(3)減震榫在豎向拉力作用下，最大應(yīng)力為114.8 MPa，結(jié)構(gòu)最大位移為0.29 mm，結(jié)構(gòu)強度及剛度均滿足要求。

(4)該新型減震榫與黏滯阻尼器相比結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、性能可靠，為橋梁下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，并產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益和社會效益。