高铁隔震桥梁纵向限位装置的研究

简　涛　杨小虎（广州大学土木工程学院）



高铁隔震桥梁纵向限位装置的研究

简涛杨小虎
（广州大学土木工程学院）

【摘要】地震发生后，桥梁有可能发生落梁，对当地的交通运输和灾后重建造成重大的不利影响。为限制桥梁的纵向位移，防止落梁的发生，在摩擦摆隔震支座桥梁纵桥向加拉索限位装置。采用IDA非线性时程分析方法，对隔震桥梁加拉索限位前后桥面的位移进行对比，并对隔震支座的滞回曲线、墩顶位移、墩顶剪力和弯矩等参数进行对比，得出：拉索纵向限位可以有效降低桥面在大震作用下的位移，同时对桥墩的抗震性能有一定影响，但通过拉索初始间隙的合理设置可以减轻对墩柱的影响。

【关键词】限位装置；摩擦摆支座；纵桥向；隔震桥梁

1　引言

近年来，我国高速铁路桥梁、近海大桥等日益增多，为地区的交通运输和经济发展提供了重要保证。我国是一个多发地震的国家，地震发生后桥梁的破坏会导致交通中断，严重影响救灾的开展和灾后的恢复重建。随着对隔震技术的重视，隔震桥梁得到了推广和应用。隔震支座可以吸收地震能量、减轻地震对桥梁的损害。但是，在大震及超大震作用下会发生落梁的危险。对桥梁增加限位装置尤为重要。

目前，国内外对限位装置的研究主要集中在普通桥梁，对高速铁路隔震桥梁的地震反应研究还不多，并且我国现行桥梁规范［1］仅把限位装置作为一种构造措施，没有要求对其进行受力分析。通过大量的桥梁震害总结发现，限位装置破坏的现象非常普遍［2］。在地震作用下，桥梁结构因限位装置的参与改变了桥梁体系受力状态，使桥梁下部结构内力分布和位移发生变化，因此，限位装置仅作为构造措施是不合理的［3］。关于限位装置在桥梁上的作用，已有部分学者作出研究。陈志刚等［4］研究了拉索减震支座对钢构桥横向抗震性能的影响，研究了拉索间隙和拉索刚度对桥梁抗震性能的影响。得出：拉索减震支座对主墩抗震性能的影响较小；初始间隙越小、拉索刚度越大，拉索减震支座对主梁的约束作用越大。龚伟等［5］从提高纵桥向抗震性能的角度出发，研究拉索减震支座和液体粘滞阻尼器对刚构桥纵向抗震性能的影响，定性分析了两种装置对两端位移有减小的效果，但会明显增大过渡墩的地震内力。

本文通过对一座高铁隔震桥梁进行动力时程分析，研究纵向限位装置对桥面位移的影响，并分析对桥梁墩柱抗震性能的影响。

2　桥梁模型

本文的模型为某高铁简支桥梁，桥梁共25跨，为简化计算，取桥梁的6跨（6×32m）进行分析。墩度23.5m，桥面为C50箱型截面，采用弹性梁单元，桥墩为C30圆端型截面，采用Mander本构，钢筋为HRB335，采用双线性本构。桥梁所在场地特征周期为0.45s，设防烈度为8度，场地加速度0.3g。

采用有限元软件SAP2000进行分析，摩擦摆支座采用FPB单元模拟，在SAP2000可以直接定义混凝土的Mander本构，考虑无约束混凝土、约束混凝土，并使用纤维截面划分钢筋混凝土单元。依据纵筋间距、直径及箍筋数量、直径、间距，按照等量原则估算约束混凝土的提高作用。计算模型如图1。纵向限位装置选用拉索，刚度取为50000N/mm，间隙为50mm。拉索恢复力模型和抗震设计如图2和图3所示。

图1　SAP2000桥梁模型

图2　拉索恢复力模型

图3　拉索抗震设计

为了详细计算添加拉索纵向限位装置对桥面纵向位移的影响，采用IDA的方法，对隔震桥梁进行非线性时程分析。计算时选取七条天然地震波，沿桥梁纵向输入。加速度峰值从0.2g增加到0.6g，增幅为0.1g，统计时程分析结果。

3　计算结果

表1　限位装置加与未加桥面位移对比

图4　隔震支座滞回曲线对比

图5　墩顶位移对比

图6　墩底剪力对比

图7　墩底弯矩对比

分别对加纵向限位装置与未加限位装置的隔震桥梁模型进行35次时程分析，统计中墩桥面的相对位移，并计算限位后相对于无限位减少的百分比（限位率），结果如表1所示。由表1结果可知：随着地震动峰值的增加，限位效果越明显。在地震动较小时，几乎没有效果；地震动增大后，可以发挥拉索的限位作用。由表中数值可知，无限位时桥面相对于墩柱的最大位移为216mm，限位后为116mm，限位率46%。在大震及超大震作用下纵向限位装置可以有效降低桥面的位移，从而减轻落梁的危险。

虽然限位装置对桥面的位移有很好地限制作用，但也需考虑限位后对墩柱抗震性能的影响。限于篇幅只绘出天津波峰值加速度为0.4g时，限位前后隔震支座支座滞回曲线、墩顶位移、墩底剪力和弯矩的变化情况，如图4-图7所示。由分析结果可知：隔震桥梁加上纵向限位后，由于拉索的作用限制桥面位移的同时支座的位移也受到限制，隔震支座的滞回曲线所包围的面积越有减少，但减少并不大，说明隔震支座的耗能能力下降的并不明显；由于拉索固定于墩柱之上，限位后墩顶的位移也有所增大；墩底的剪力和弯矩限位前后基本相同，说明由于限位装置的作用对墩底增加的损害可以忽略不计。

4　结论

⑴高铁隔震桥梁增加纵向限位装置拉索后，可以有效降低在大震及超大震作用下桥面的位移，防止落梁的发生。

⑵拉索初始间隙设置为50mm，可以在地震动较大时限值桥面的位移，同时对隔震支座的耗能能力影响不大，对墩顶位移略有不利影响，墩底弯矩和剪力基本不变。说明拉索在有效保护桥面防落梁的同时，对墩柱的影响较小。●

【参考文献】

［1］桥梁抗震设计细则［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］王岩，王军文，秦洪果，等.桥梁抗震挡块研究进展［J］.世界地震工程，2013，29（S2）：90-96.

［3］朱文正.徐忠根隔震桥梁横桥向挡块设计研究［J］.土木工程与管理学报，2011，28（3）：407-411.

［4］陈志刚，赵英策.采用拉索减震支座的刚构桥横向抗震性能研究［J］.桥梁建设，2014，2（44）：38-42.

［5］龚纬，燕斌.基于减隔震装置的刚构桥地震效应控制方法［J］.城市道桥与防洪，2014，3（3）：61-70.