公軌合建大跨長聯橋梁減隔震設計關鍵技術研究*

苗潤池 魏 標 何友娣

(1.高速鐵路建造技術國家工程研究中心 長沙 410075; 2.中國中鐵股份有限公司 北京 100039)

近年來隨著城市交通建設規劃的日益成熟,在城市交通規劃中越來越重視多功能橋梁的建設要求,特別是在重要的跨江跨河通道規劃中,公路與鐵路合建、公路與城市軌道交通合建橋梁的優勢也愈發顯著[1]。公鐵合建或公軌合建橋梁因其多功能性能要求,其橋梁設計中需要考慮的因素也會更多。特別對于高地震烈度區的公軌合建大跨長聯橋梁,由于公軌合建橋梁上部結構重量遠超過普通單一功能橋梁結構,橋梁結構具有恒載重、地震響應大、功能要求高等特點,需要采用減隔震特殊設計[2]。本文以某在建公軌合建大跨長聯橋梁為例,對其減隔震設計關鍵技術開展相關研究。

1 有限元模型

某在建公軌合建大跨長聯橋梁跨度布置為72 m+122 m+4×240 m+122 m+72 m,全長1 348 m,主梁為懸鏈形上加勁連續鋼桁梁結構,雙層橋面布置,上層為六車道一級公路,下層為雙線輕軌,總體橋式立面布置見圖1。

圖1 總體橋式布置圖(單位:m)

主橋采用midas Civil建立橋梁結構空間動力計算模型,模型示意見圖2。

圖2 有限元計算模型

計算模型中的主梁、墩柱和承臺均采用空間梁單元模擬,橋面板采用板單元模擬,單元質量采用集中質量。一期恒載通過賦予截面面積和密度施加,二期恒載以面荷載施加到橋面板,轉化為質量形式附加于板單元。

2 減隔震方案研究

大跨長聯橋梁結構縱橋向通常設置一個制動墩抵抗水平力,本工程公軌合建橋梁上部結構恒載重達740 kN,最大跨度為240 m,總聯長1 348 m,橋址區域場地地震烈度為七度,50年超越概率10%對應的地震動峰值加速度為0.11g,在設計地震和罕遇地震作用下,制動墩很難抵抗由地震產生的水平力,抗震設計中需要對主橋結構減隔震方案開展研究[3]。

減隔震設計是通過設置阻尼裝置或支座減隔震裝置增加結構阻尼或者延長結構的基本周期,以降低結構的地震作用。減震是通過增加阻尼來降低結構中的地震反應,而隔震則是通過延長結構周期來減小地震反應。減震與隔震降低地震反應的機理有所不同[4]。通常,柔性結構利用阻尼減震能取得較好的結果,阻尼裝置多用于結構相對較柔、阻尼相對較小的斜拉橋和懸索橋中,隔震技術適用于結構剛度大、周期短的梁式橋梁結構[5]。針對大跨長聯橋梁結構,常用的減隔震方案主要為以下2種。

方案一:位移型減隔震支座隔震。

方案二:速度型阻尼器消能減震。

采用midas Civil進行非線性時程分析,位移型減隔震支座和速度型阻尼器通過非線性邊界條件模擬,選用工程場地地震安評報告中提供的50年超越概率2%人工地震時程波見圖3,僅列出制動墩ZQ5相關計算結果,制動墩ZQ5減隔震方案分析見表1。

表1 制動墩ZQ5減隔震方案分析

圖3 人工地震時程波

由表1可見,縱橋向采用方案一和方案二對于橋梁結構減隔震效果均較顯著,這是由于位移型減隔震支座和速度型阻尼器不僅自身提供減隔震效果,還起到了連接橋梁活動墩的作用,使多個活動墩與制動墩共同抵抗水平地震作用。橫橋向由于位移型減隔震支座具有雙向隔震性能,速度型阻尼器只適用單向減震,若要縱橫向同時減隔震,設置位移型減隔震支座性價比最優。因此,方案一減隔震效果優于方案二,對于大跨長聯橋梁結構優先推薦采用具有雙向隔震功能的位移型減隔震支座方案。

3 減隔震支座參數設計

位移型減隔震支座將結構上部和下部隔離開,不僅延長結構自振周期,而且通過支座自身耗能機制增加結構等效阻尼比,達到降低結構地震響應的減隔震效果,常用的位移型減隔震支座有鉛芯隔震橡膠支座、高阻尼隔震橡膠支座、摩擦擺減隔震支座等。

本公軌合建橋梁上部結構恒載重達74 t/m,運營荷載包括六車道公路活載和雙線輕軌活載,支座噸位最大為115 000 kN。對于鉛芯隔震橡膠支座和高阻尼隔震橡膠支座受限于材料和尺寸規格,其最大豎向承載力一般不超過20 000 kN,只有摩擦擺減隔震支座屬于鋼材支座,其具有很強的豎向承載力設計[6],因此對于公軌合建大跨長聯橋梁減隔震支座推薦采用具有高承載力的雙曲面球型摩擦擺減隔震支座。

雙曲面球型摩擦擺減隔震支座工作原理簡單[7],主要是通過單擺式原理改變結構自振周期,并通過摩擦耗能將地震能量轉化為熱能,構造圖見圖4所示,摩擦擺支座的恢復力模型見圖5。

圖4 摩擦擺支座構造圖

圖5 摩擦擺支座恢復力模型

摩擦擺支座的初始剛度K1(kN/m)、屈后剛度K2(kN/m)和等效剛度Keff(kN/m)可按下式確定。

式中:W為支座恒載作用下豎向反力,kN;R為支座滑動曲面的曲率半徑,m;μd為支座滑動摩擦系數,一般取值0.03～0.06;Dy為支座初始位移,一般取0.002 5 m;Dd為支座設計位移,m。

對于雙曲面球型摩擦擺減隔震支座,主要參數為曲率半徑R和滑動摩擦系數μd,很多學者對摩擦擺減隔震支座參數進行了大量的研究,得出隨著滑動摩擦系數的增大,結構地震內力響應增加,地震位移響應減小,而隨著曲率半徑的增大,結構地震內力響應減小,地震位移響應增加。

本公軌合建大跨長聯橋梁支座噸位最大為115 000 kN,對于這種高承載力的雙曲面雙曲面球型摩擦擺減隔震支座的設計,需要特別重視隔震支座的隔震性能[8]。引入隔震支座調整系數λ,并分為上限λmax和下限λmin,對應的減隔震狀態稱為上限隔震狀態和下限隔震狀態。

隔震支座調整系數λ的影響因素比較多,主要有溫度、材料、活載、速度、時間等,在本工程中參考減隔震支座相關規范的規定,上限λmax取值為1.5,下限λmin取值為0.85,具體的摩擦擺減隔震支座參數設計見表2。

表2 摩擦擺減隔震支座調整參數

采用midas Civil中的非線性時程進行分析,地震動輸入取安評報告提供的50年超越概率2%人工地震波,減隔震支座考慮調整系數對結構關鍵部位地震響應影響見圖6、圖7。

圖6 考慮隔震支座調整系數對墩底縱向彎矩的影響

圖7 考慮隔震支座調整系數對支座縱向位移的影響

采用高承載力的雙曲面球型摩擦擺減隔震支座在地震作用下的減隔震性能,需要根據上限和下限不同隔震狀態來確定控制區域范圍(圖6和圖7中的陰影區域),按照上限隔震狀態計算地震內力進行配筋和抗震驗算,按照下限隔震狀態計算地震位移進行支座位移和梁端伸縮縫設計,保證橋梁結構在采用高承載力的雙曲面摩擦擺減隔震支座后滿足抗震性能要求。

4 車-橋耦合振動分析

公軌合建大跨長聯橋梁采用雙曲面球型摩擦擺減隔震支座,除了要保證隔震支座在地震作用下起到減隔震效果,還需滿足軌道交通正常運營要求[9]。雙曲面球型摩擦擺減隔震支座由于支座構造特殊性,滑動面為曲面,在溫度作用下會產生支座頂升豎向位移,特別是大跨長聯結構效應更加顯著,因此開展車-橋耦合振動分析,評價公軌合建大跨長聯橋梁行車安全性和舒適性。

以下采用自主研發程序列車-橋梁耦合振動計算分析軟件TBCA V1.0,對本項目開展車-橋耦合動力仿真分析,得到車橋動力響應,評價橋梁的動力性能和列車的行車安全性及舒適性。為了考慮采用雙曲面球型摩擦擺減隔震支座產生的附加變形影響,將附加變形與軌道不平順時域樣本疊加,樣本疊加后橋面豎向變形見圖8。

圖8 附加變形與軌道不平順時域樣本疊加

如圖8所示,該橋雙曲面球型摩擦擺減隔震支座設置在ZQ3～ZQ7墩,運營狀態下Z05墩處于固定,相當于溫度不動點,考慮整體升降溫工況,ZQ3、ZQ7墩支座最大頂升位移量為2.2 mm,ZQ4、ZQ6墩支座最大頂升位移量為1.1 mm,以單線CRH2列車在120 km/h車速下進行考慮附加變形的車-橋耦合振動分析,得到列車的動力響應指標結果見表3。

表3 列車(動車)動力響應指標評價

由列車動力響應指標評價可知,該橋采用雙曲面球型摩擦擺減隔震支座考慮支座附加變形影響后,列車行車安全性和舒適性均滿足要求,但是從計算結果可以看出,減隔震支座附加變形對車輛豎向加速度指標影響較大,應進行車-橋耦合振動分析重點關注。

5 結論

1) 位移型減隔震支座和速度型阻尼器不僅自身提供減隔震效果,還起到了連接橋梁活動墩的作用,使多個活動墩與制動墩共同抵抗水平地震作用,大跨長聯橋梁結構優先推薦采用具有雙向隔震功能的位移型減隔震支座方案。

2) 公軌合建大跨長聯橋梁減隔震支座推薦采用具有高承載力的雙曲面球型摩擦擺減隔震支座。

3) 采用雙曲面球型摩擦擺減隔震支座進行減隔震設計,根據上限隔震狀態和下限隔震狀態確定控制區域范圍,按上限隔震狀態計算的地震內力進行配筋和抗震驗算,按下限隔震狀態計算的地震位移進行支座位移和梁端伸縮縫設計。

4) 公軌合建大跨長聯橋梁采用雙曲面球型摩擦擺減隔震支座,需要考慮支座附加變形影響,開展車-橋耦合振動分析,減隔震支座附加變形對車輛豎向加速度指標影響較大,應重點關注。