減隔震支座及黏滯阻尼器減震效果分析研究

李曉波

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

1 研究背景

高速鐵路大跨連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)目前主要還是以強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，當(dāng)?shù)卣鹆叶冗^大或場地條件等導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案難以實(shí)施時(shí)，則轉(zhuǎn)向減隔震設(shè)計(jì)。GB 50111-2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2009年版)[1]中規(guī)定：“條件允許時(shí)，可采用隔震、耗能裝置，減小構(gòu)筑物的地震反應(yīng)”，但對于減隔震設(shè)計(jì)方法以及減隔震設(shè)計(jì)橋梁地震響應(yīng)規(guī)律缺乏必要的描述。減隔震設(shè)計(jì)原則是通過引入減隔震裝置來延長結(jié)構(gòu)的自振周期，以避開地震能量集中的周期范圍，從而降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。但是，通過延長結(jié)構(gòu)周期來減小地震力，必然伴隨著結(jié)構(gòu)位移的增大，可能會造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的困難。為了控制過大變形，可通過在結(jié)構(gòu)中引入阻尼耗能裝置，以增加結(jié)構(gòu)的阻尼來耗散輸入的地震能量，從而減小結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)[2-5]。

本文結(jié)合高烈度震區(qū)某(72+128+72) m大跨度連續(xù)梁橋，采用非線性時(shí)程分析方法，研究了鐵路連續(xù)梁常用雙曲面球型減隔震支座的減震效果以及減震機(jī)理，分析了不同地震設(shè)防烈度以及場地類別對于減隔震支座減震效率以及支座位移的影響，針對減隔震支座地震位移響應(yīng)較大的情況，推薦采用黏滯阻尼器的滯回耗能來控制墩梁相對位移，為高烈度區(qū)大跨連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)提供參考。

2 減隔震裝置簡介

鐵路橋梁常用減隔震裝置有雙曲面球型減隔震支座、鋼阻尼器、黏滯阻尼器、速度鎖定器以及減震隼等。其中速度鎖定器只能用于連續(xù)梁橋縱向減震，且自身沒有耗能能力，主要是通過地震力重新分配來降低縱向固定墩墩底響應(yīng)。鋼阻尼器在高烈度震區(qū)往往噸位較大，安裝和布置都有難度，這制約了它在高烈度震區(qū)的應(yīng)用。由于減震隼單個桿件耗能有限，一個墩位處往往需要很多個減震隼，給布置帶來了很大難度，且多用于簡支梁橋，對于大跨連續(xù)梁橋則適用性較差。綜上，對于鐵路連續(xù)梁橋，雙曲面球型減隔震支座和黏滯阻尼器是較為常用和適用的減隔震裝置[6-7]。

2.1 雙曲面球型減隔震支座

摩擦擺減隔震支座是同濟(jì)大學(xué)范立礎(chǔ)院士最先從國外引進(jìn)中國的，鐵路雙曲面球型減隔震支座是在摩擦擺支座的基礎(chǔ)上增加了平面摩擦副，用來滿足在正常使用條件下梁體不抬高的使用要求。地震荷載作用下，雙曲面球型減隔震支座的本構(gòu)模型如圖1所示，相關(guān)參數(shù)確定應(yīng)查詢支座生產(chǎn)手冊。

圖1 雙曲面球型支座本構(gòu)模型圖

2.2 黏滯阻尼器

黏滯阻尼器的原理是地震動迫使缸體中的流體(如硅油等)產(chǎn)生運(yùn)動，受到擠壓的流體就會在通過孔隙或縫隙時(shí)產(chǎn)生阻尼力，從而耗散能量。但黏滯阻尼器不會改變結(jié)構(gòu)的自振特性，因此不能為結(jié)構(gòu)提供足夠的恢復(fù)力機(jī)制，因此常作為一種阻尼耗能裝置與其它減隔震裝置配合使用，多用于控制結(jié)構(gòu)地震位移響應(yīng)。黏滯阻尼器典型滯回曲線如圖2所示。

圖2 黏滯阻尼器典型滯回曲線圖

3 工程背景、地震動輸入及計(jì)算模型

3.1 工程背景

選取華北地區(qū)高烈度震區(qū)近斷層(72+128+72) m連續(xù)梁橋(如圖3所示)，P2墩為固定墩，其余橋墩均為活動墩。梁體為單箱單室截面，采用C50混凝土，跨中梁高5.632 m，中支點(diǎn)處梁高9.632 m，梁高按二次拋物線變化。橋墩均為圓端形變截面實(shí)體單柱墩，采用C35混凝土，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。雙曲面球型減隔震支座設(shè)計(jì)參數(shù)為：兩中墩減隔震支座噸位為 70 000 kN，曲面半徑6.3 m，兩邊墩減隔震支座噸位為 10 000 kN，曲面半徑2.5 m，減隔震支座摩擦系數(shù)均為0.06。

圖3 連續(xù)梁橋立面布置圖(cm)

3.2 地震動輸入

橋址處罕遇地震動峰值加速度為0.38 g，特征周期為0.45 s。以規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜為目標(biāo)，擬合了3條人工波時(shí)程曲線，如圖4所示。人工波與規(guī)范反應(yīng)譜保持一致性。

圖4 人工波時(shí)程曲線圖

3.3 計(jì)算模型

基于MIDAS/Civil平臺建立全橋三維有限元模型，如圖5所示。減隔震支座采用非線性連接單元實(shí)現(xiàn)支座的本構(gòu)關(guān)系，黏滯阻尼器則采用Maxwell模型模擬，同時(shí)采用普通支座模型作為對照組。

圖5 全橋空間有限元模型圖

4 減隔震設(shè)計(jì)研究

4.1 減隔震效果分析

對減隔震支座橋梁模型進(jìn)行非線性時(shí)程反應(yīng)分析，得到罕遇地震下橋梁結(jié)構(gòu)墩底內(nèi)力響應(yīng)和減隔震支座的位移響應(yīng)如表1、表2所示，以普通支座橋梁罕遇地震下地震響應(yīng)結(jié)果作為對照。本文引入墩底彎矩減震率P的概念來反映減震效果，減隔震支座模型計(jì)算的墩底彎矩為Mj，普通支座模型線性時(shí)程計(jì)算得到的墩底彎矩為Mp,減震率為：P=1-Mj/Mp，由于縱橋向活動墩墩底地震內(nèi)力響應(yīng)主要由墩身貢獻(xiàn)且縱橋向抗震設(shè)計(jì)主要由固定墩控制，因此表1縱向只列出了固定墩墩底內(nèi)力響應(yīng)進(jìn)行對比研究。

表1 墩底內(nèi)力響應(yīng)對比結(jié)果表

表2 支座地震位移響應(yīng)表

由表1可知，罕遇地震作用下，與采用普通支座相比，雙曲面球型減隔震支座可大幅減小連續(xù)梁橋縱、橫向墩底地震內(nèi)力響應(yīng)，其中縱橋向固定墩墩底彎矩減震率為90%，橫橋向邊墩減震率要大于中墩減震率，但各橋墩橫向墩底彎矩減震率均在85%以上。由表2可知，同普通支座相比，雙曲面球型減隔震支座顯著增加了墩、梁相對位移，固定墩處減隔震支座在縱、橫向產(chǎn)生的位移分別為237 mm、145 mm，減隔震支座在各個橋墩處地震位移響應(yīng)基本一致，但減隔震支座縱橋向位移明顯大于橫橋向位移。

為進(jìn)一步研究地震設(shè)防烈度和場地類別對于減隔震支座減震效果以及支座位移的影響。對比研究了設(shè)計(jì)地震動峰值加速度分別為0.15 g、0.2 g、0.3 g共3個設(shè)防烈度以及Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3種場地類別(對應(yīng)場地特征周期分別為0.45 s、0.65 s、0.90 s)下固定墩墩底彎矩減震率以及減隔震支座位移響應(yīng)，結(jié)果如表3、表4所示。

表3 不同設(shè)防烈度下固定墩地震響應(yīng)結(jié)果對比表

表4 不同場地類別下固定墩地震響應(yīng)結(jié)果對比表

由表3可知，隨著地震設(shè)防烈度增加，固定墩墩底彎矩減震率基本保持不變，縱向彎矩減震率在90%左右，橫向彎矩減震率在85%左右，表明減隔震支座在不同地震設(shè)防地震烈度下均可以顯著減小結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應(yīng)；但隨著設(shè)防烈度增加，減隔震支座縱、橫向地震位移呈顯著增大的趨勢。由表4可知，隨著場地類別增加，場地條件變差，特征周期增大，固定墩縱、橫向墩底彎矩減震率呈略微減小趨勢，但縱、橫向減震率仍然分別保持在90% 、80%以上。隨著場地類別的增加，減隔震支座位移增大，尤其是對于Ⅳ類場地，減隔震支座位移增幅較大。

4.2 地震位移控制

綜上可得，雙曲面球型減隔震支座可以大幅減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應(yīng)，但同時(shí)會大大增加墩、梁相對位移。太大的支座位移會增加支座尺寸且需要設(shè)置大位移伸縮縫來滿足梁體位移需求，導(dǎo)致造價(jià)增加且影響線路的平順性，因此需控制減隔震支座地震位移響應(yīng)。本文擬利用黏滯阻尼器的滯回耗能來減小結(jié)構(gòu)的地震位移響應(yīng)以達(dá)到控制減隔震支座位移的目的。通常建議將減隔震支座的地震位移控制在 150 mm以下，這樣即可通過增加梁縫值來滿足梁體位移要求[8]。以0.2 g、Ⅱ類場地模型為例，支座縱向最大位移發(fā)生在P1墩處，為242 mm，大于150 mm；橫向除P4墩位處支座位移略大于150 mm，其它墩位處減隔震支座橫向位移基本均小于150 mm，因此只考慮在縱向增設(shè)黏滯阻尼器來控制墩、梁相對位移。通過試算，在P2、P3墩位處縱向分別布置4個最大出力 15 00 kN的黏滯阻尼器即可將墩、梁縱向位移控制在150 mm以內(nèi)，如表5所示，黏滯阻尼器的滯回曲線如圖6所示。

表5 增設(shè)黏滯阻尼器前后時(shí)程分析結(jié)果對比表

圖6 黏滯阻尼器滯回曲線

由圖6可知，黏滯阻尼器利用自身滯回耗能，減小了墩梁相對位移，但同時(shí)也增加了阻尼力。縱向固定墩墩底彎矩為 95 536 kN·m，較之前 85 838 kN·m增大了11%，但固定墩縱向墩底彎矩減震率仍有89%，表明增設(shè)黏滯阻尼器會略微增加墩底地震內(nèi)力響應(yīng)，但并未明顯影響減隔震支座的減震效果。

當(dāng)?shù)卣鹆叶容^高且場地類別較差導(dǎo)致減隔震支座位移較大時(shí)，要把墩、梁位移控制到150 mm范圍內(nèi)，則需要增設(shè)更多的黏滯阻尼器。以0.3 g、Ⅱ類場地模型為例，縱、橫向減隔震支座位移分別達(dá)到550 mm、355 mm，通過試算，需在兩個中墩分別縱向布置4個最大出力 2 500 kN、橫向布置4個最大出力 2 000 kN的黏滯阻尼器，邊墩橫向布置2個最大出力 1 000 kN的黏滯阻尼器才可以將縱、橫向支座位移控制在 150 mm以內(nèi)，但連續(xù)梁橋墩墩頂空間顯然不能滿足該方案的布置要求，且大大提高了整體的造價(jià)。因此，對于高烈度震區(qū)且場地條件較差時(shí)，當(dāng)減隔震支座位移較大時(shí)，可以將墩、梁相對位移的限值適當(dāng)提高，以減少阻尼器的數(shù)量，優(yōu)化墩頂阻尼器的布置，降低整體造價(jià)，但應(yīng)注意伸縮縫以及防落梁的配套設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)的減隔震體系在地震荷載作用下能夠協(xié)調(diào)工作。

5 結(jié)論

本文針對高烈度震區(qū)某大跨連續(xù)梁工點(diǎn)開展了非線性時(shí)程反應(yīng)分析，重點(diǎn)對雙曲面球型減隔震支座的減震效果以及黏滯阻尼器的位移控制進(jìn)行了分析研究，得到以下結(jié)論：

(1)雙曲面球型減隔震支座在不同設(shè)防烈度以及場地類別下均可大幅減小墩底地震內(nèi)力響應(yīng)，縱向墩底彎矩減震率在90%左右，橫向墩底彎矩減震率在85%左右，減震效果顯著，但會增加墩梁相對位移，縱橫向墩梁相對位移隨著設(shè)防烈度的增大和場地條件變差呈非線性增大趨勢。

(2)黏滯阻尼器在不影響雙曲面球型減隔震支座減震效果的情況下可有效控制墩梁相對位移達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但對于高烈度震區(qū)且場地條件較差時(shí)，為了優(yōu)化阻尼器配置且控制造價(jià)，可以考慮增大減隔震支座的位移限值，但要注意對伸縮縫和防落梁進(jìn)行配套設(shè)計(jì)。