基于摩擦摆支座的高速铁路连续梁桥减隔震研究

王传坤，杨孟刚



基于摩擦摆支座的高速铁路连续梁桥减隔震研究

王传坤1, 2，杨孟刚1

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075； 2. 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

为改善铁路桥梁的横向抗震性能，以高速铁路三跨连续梁桥为例，采用ANSYS软件，建立横向碰撞有限元模型，开展摩擦摆支座的减隔震研究。模型中考虑轨道系统(CRTSⅡ型)约束作用、支座非线性、墩柱弹塑性及桥梁两侧简支梁和路基段的影响。采用非线性地震反应时程分析方法，分析轨道系统约束作用对桥梁结构横向地震响应的影响，探讨挡块-垫石间距及摩擦因数和球面半径对摩擦摆支座隔震性能的影响，并比较2种隔震方案的减震效果。研究结果表明：轨道系统约束作用会改变桥梁结构的动力特性与地震响应，放大墩底剪力横向分配的不均匀性；适当增大挡块-垫石设计间距，可确保摩擦摆支座充分发挥隔震性能；结构横向地震响应对摩擦摆支座摩擦因数的变化较其球面半径变化敏感，且摩擦因数取用0.03~0.04较为合理。

高铁连续梁桥；摩擦摆支座；横向地震；碰撞效应；减隔震

高速铁路建设中大量采用“以桥代路”的全封闭模式，以满足列车运行平顺性的要求。据统计，桥梁占高铁线路总长度的平均比例达一半以上，京沪高铁甚至超过80%[1]，且越来越多的高铁桥梁修建于地震区，如何提高桥梁抗震性能，是我国高速铁路可持续发展的重大现实和战略需求。减隔震技术是一种提高桥梁抗震性能且简便、经济、先进的有效手段[2]。摩擦摆支座(Friction Pendulum Bearing，FPB)是目前较为常用的减隔震装置且支座承载力较大同时具有自复位功能，因此在桥梁抗震设计中得到广泛的应用[3]。目前，国内外已有一些学者对摩擦摆减隔震桥梁支座进行了研究。Ates[4]对双凹摩擦摆隔震支座进行了研究，并得出其对桥梁空间变异性地震随机响应具有重要影响；夏修身[5]基于一座铁路连续梁拱组合桥，分析了FPB的减隔震效果；高康等[6]提出了一种适用于曲线梁桥的减隔震支座−拉索摩擦摆支座，并以一座实际城市曲线梁桥为工程背景，验证了该支座的减隔震效果。王志英等[7]以一座大跨度连续钢桁梁桥为例，采用了FPB对其进行减隔震设计，并得出了该桥合理的FPB参数。WANG等[8]针对滑动隔震结构的非线性动力分析问题，提出了一种适用于黏滞−滑动隔震系统的方法，并通过一座三跨连续梁进行了验证。孙颖等[9]建立了五跨一联隔震连续梁，探讨了具有明显脉冲效应的近场、远场长周期地震动作用对采用FPB连续梁的影响程度。张常勇等[10]以3跨混凝土连续梁为例，研究了FPB等效滑动半径和摩擦因数对地震能量反应及分配的影响。已有研究主要针对公路、市政桥梁展开[6−10][10]，涉及高铁桥梁的并不多[5]，且忽略了桥面系的影响。高铁桥梁横向刚度大，自振周期小，理论上更适合采用减隔震技术，另一方面，高铁桥梁横桥向一般设置型钢挡块等限位防落梁构造措施[11]，这与隔震设计原则实际上是冲突的。基于此问题，本文以连续梁桥为例，开展高速铁路桥梁基于摩擦摆支座减、隔震方面的研究。

1 有限元模型的建立及地震动输入

1.1 背景工程

以高速铁路桥梁设计中常采用的(48+80+48) m连续梁为研究对象，主梁为双线单箱单室截面，材料为C50混凝土，桥面宽12.6 m。连续梁中支点箱梁中心线梁高为6.635 m，跨中及边支点箱梁中心线梁高为3.835 m，梁底按二次抛物线变化。轨道结构采用我国纵连板式无砟轨道预制轨道板(CRTSⅡ型)，由滑动层、底座板、CA砂浆层、轨道板、L型侧向挡块、扣件和钢轨等构件组成。普通支座采用球形钢支座。临跨结构均为32 m的简支梁，梁高为3.035 m。桥墩为圆端型实体墩，墩高均为10 m，材料为C35混凝土，基础采用钻孔灌注桩基础。桥跨布置如图1(a)所示，全桥挡块编号如图1(b)所示。

1.2 有限元模型的建立

单位：m

图2 全桥有限元模型

图3 高铁桥梁横向碰撞体系示意图

图4 摩擦摆支座恢复力模型

在支座模拟方面分别建立3种动力分析模型：

1) 非隔震桥梁：边墩采用TJQZ7000型、中墩采用TJQZ35000型球形钢支座，各墩墩顶均有一个横向固定和横向可滑动支座。采用弹簧单元combin39模拟滑动支座，采用弹簧单元combin39和combin40共同模拟固定支座。

3) 边、中墩隔震桥梁：边、中墩均采用FPB，边墩FPB竖向承载力为7 000 kN，球面半径3 m，设计位移100 mm，屈服位移取2 mm，设计摩擦因数为0.03。

表1 截面属性及塑性铰结果

表2 墩底等效弹簧刚度

挡块−垫石间的横向碰撞过程采用非线性碰撞单元combin40模拟，其力学行为可用下式描述：

式中：为碰撞刚度，由于缺乏实验依据，取为挡块的横向抗推刚度。为地震作用下挡块−垫石间的横向相对位移；Δ为挡块−垫石初始间隙，连续梁取2 cm，简支梁取3 cm；为碰撞体系相对速度；为碰撞过程中的阻尼系数[11]。

1.3 地震动的输入

时程分析采用Rayleigh阻尼，阻尼比取为0.05。选取2条代表性地震波(EL-Centro和Taft地震波)，地震设防烈度为7度，保留各地震波频谱特性，将各波调幅至PGA为0.32(罕遇地震)后，进行横向非线性时程反应分析。

2 轨道系统对横向碰撞效应的影响

为分析轨道系统约束作用对高铁桥梁横向地震响应的影响，分别建立不考虑轨道系统和考虑轨道系统2种高铁非隔震桥梁模型，其中不考虑轨道系统模型的二期恒载通过换算梁体密度来考虑其质量。表3为2个模型的前6阶横向模态自振频率，并通过非线性时程分析得到EL-Centro波作用下考虑轨道系统与不考虑轨道系统最大碰撞响应之比如图5所示。

表3 2种模型横向模态对比

图5 轨道系统对横向碰撞效应的影响

由表3可见，轨道系统约束作用会增大桥梁结构的横向刚度，使得结构自振频率有所增大，进而会影响高铁桥梁的横向地震响应。从图5可以看出，一方面轨道系统减小了墩梁横向相对位移和挡块碰撞力，且越靠近边跨路基部分轨道约束作用越强。另一方面轨道系统放大了墩底剪力(墩顶位移)分配的不均匀性，主要考虑在轨道及路基的共同作用下，桥梁整体性加强，由于各墩横桥向均有固定支座，各墩刚度并联，桥墩承担的横向地震力与各墩刚度成正比，且路基对于边墩梁段约束作用明显高于中墩梁段，由此导致桥墩之间的墩底剪力分配不均匀性更加明显且向横桥向刚度最大的中墩集中。可见，轨道系统对桥梁结构横向地震响应有较大影响，为了更真实模拟实桥受力状态，因此在后续分析中均考虑轨道系统的影响。

3 隔震桥梁地震反应分析

由前面的桥梁横向地震碰撞效应可知，由于连续梁中墩横桥向刚度较大，承担了横桥向大部分地震力，且轨道系统的约束作用使得这种效应有所加强。本节考虑对连续梁中墩使用FPB代替球型钢支座(即中墩隔震桥梁动力分析模型)，开展高速铁路连续梁桥减、隔震性能研究。

3.1 横向挡块−垫石间距对FPB隔震性能的影响

为了充分发挥FPB隔震耗能的作用，通常要求上部结构可自由变形较大，这与挡块设置的初衷实则是相违背的。本文通过调整挡块垫石接触间隙，使FPB隔震耗能作用得到发挥，达到减小碰撞力与桥墩内力并保证一定限位能力的目标。连续梁挡块垫石设计间距通常为2 cm，本文分别取2，3，4，5，6，7和8 cm7种挡块−垫石间距，输入EL-Centro波和Taft波，得到2条地震波作用下墩梁最大横向相对位移、挡块最大碰撞力和墩底最大剪力随挡块−垫石间距变化的情况，如图6所示。

图6 初始间隙对FPB隔震性能的影响

由图6可知，2种地震波作用下，连续梁墩梁最大横向相对位移基本随挡块−垫石间距的增大呈增大趋势，挡块的限位效果有一定程度下降；挡块最大碰撞力随挡块−垫石间距的增大基本呈减小趋势直至不发生碰撞；墩底最大剪力随挡块−垫石间距的增大呈减小趋势后稳定不变，这是考虑到当挡块−垫石间距增大到一定程度后，挡块不发生碰撞，墩底剪力仅由其自身惯性力决定，因而墩底剪力峰值保持不变，此时FPB得以充分发挥其隔震耗能作用。2种地震波作用下，综合墩梁最大横向相对位移、挡块最大碰撞力和墩底最大剪力等响应结果分析可得：在连续梁中墩加入摩擦摆支座后，当挡块−垫石间距为6 cm时，可以保证挡块一定的限位防落梁能力且使摩擦摆支座得以充分发挥其隔震耗能作用，为比较合理的隔震连续梁桥挡块−垫石间距，因此后面分析中挡块−垫石均取此间距。

3.2 FPB摩擦因数对桥梁地震响应的影响

FPB摩擦因数与接触面材料性质有关，取值范围一般为0.01~0.07，本文分别取0.01，0.02，0.03，0.04，0.05，0.06和0.07 7种情况讨论，分别输入EL-Centro波和Taft波，得到2条地震波作用下墩梁最大横向相对位移、挡块最大碰撞力和墩底最大剪力随摩擦因数变化的情况，如图7所示。

图7 摩擦因数变化对地震响应的影响

由图7可知，2种地震波作用下，随着FPB摩擦因数的增大，墩梁横向相对位移峰值呈减小趋势；挡块最大碰撞力随FPB摩擦因数的增大，呈减少趋势，直至不发生碰撞；墩底最大剪力随FPB摩擦因数的增大因连续梁边墩和中墩规律有所不同，边墩呈逐渐减小的趋势，但减幅较平缓，中墩呈逐渐增大趋势，这主要是考虑到摩擦因数的增大，一定程度加强了墩梁间惯性力的传递。综合墩梁最大横向相对位移、挡块最大碰撞力和墩底最大剪力等响应结果，FPB摩擦因数取为0.03~0.04较为合理。

3.3 FPB球面半径对桥梁地震响应的影响

FPB球面半径影响支座的摆动刚度进而影响隔震桥梁结构横向动力特性。本文分别对FPB球面半径取3，4，5，6，7.5和9 m6种情况讨论，分别输入EL-Centro波和Taft波，得到2条地震波作用下墩梁最大横向相对位移、挡块最大碰撞力和墩底最大剪力随球面半径的变化情况，如图8所示。

由图8可知，2种地震波作用下，随着FPB球面半径的增大，墩梁横向相对位移峰值、挡块最大碰撞力以及墩底最大剪力变化很小，略有波动，即FPB球面半径变化对桥梁结构横向地震响应的影响较小，建议根据所需的隔震周期及支座竖向承载力采用相应的球面半径。

图8 球面半径变化对地震响应的影响

4 不同减隔震方案研究

对于隔震桥梁，本文建立了2种动力分析模型，即中墩隔震桥梁(方案1)和边、中墩隔震桥梁(方案2)，并将非隔震桥梁视为原方案，为比较2种方案对桥梁横向减震效果的差异，分别输入EL-Centro波和Taft波，得到2条地震波作用下墩梁最大横向相对位移、挡块最大碰撞力和墩底最大剪力，如表4所示。

由表4可知，2种地震波作用下，方案1和方案2较非隔震桥梁，墩梁横向相对位移峰值均有所增大，这是因为隔震桥梁挡块−垫石间距较大，因而横向地震作用下上部结构的可自由变形也较大，方案2较方案1墩梁横向相对位移峰值有所减少，但不明显，这说明结构体系随着边墩FPB的加入，其周期进一步得到延长，一定程度避开了地震能量较为集中的范围。挡块最大碰撞力随FPB的加入显著减小，甚至不发生碰撞。方案2较方案1墩底最大剪力略有减小，且连续梁边墩响应峰值减小幅度较大。综合考虑各种响应结果分析可得：FPB的加入使得连续梁横向地震峰值响应有所减小，同时也会导致挡块限位效果的降低，连续梁边、中墩同时布置FPB(方案2)较仅在中墩布置FPB(方案1)，隔震效果有所增强，但改善很小亦不经济。因此仅在连续梁中墩布置FPB就基本可以达到较好的隔震耗能作用。

表4 2种减震方案比较

注：减震率为隔震桥梁峰值响应相对于非隔震桥梁峰值响应的变化率

5 结论

1) 轨道系统的约束作用会改变桥梁结构的横向动力特性与地震响应，增大桥梁横向刚度，放大墩底剪力横向分配的不均匀性。

2) 横向挡块−垫石间距的设置既要保证一定的限位能力，又要满足FPB摆动时的极限位移，以确保FPB充分发挥其隔震耗能的作用，针对本文的工程算例，当挡块−垫石间距为6 cm时，为比较合理的隔震连续梁桥挡块−垫石间距。

3) 桥梁结构横向地震响应对FPB摩擦因数的变化较其球面半径变化敏感，且摩擦因数取用0.03~0.04较为合理，而FPB球面半径建议根据所需的隔震周期和支座竖向承载力来选用。

4) FPB会使得连续梁桥横向地震峰值响应有所减小，但同时也会导致挡块限位效果的降低，连续梁边、中墩同时布置FPB较仅中墩布置FPB隔震效果有所增强，但改善很小亦不经济。针对本文的工程算例，仅在连续梁中墩布置FPB基本就可以达到较好的隔震耗能作用。

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Research on seismic isolation of high-speed railway continuous beam bridge with friction pendulum bearing

WANG Chuankun1, 2, YANG Menggang1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Shanghai Municipal Engineering Design Institute (Group) Company Limited, Shanghai 200092, China)

To improve the transverse seismic performances of railway bridges, this paper took a high-speed railway 3-span continuous beam bridge as a study object and its transverse collision finite element model is established with the software ANSYS. Ttthis paper also studied the seismic isolation of friction pendulum bearing. In the model, the restriction effect of track system (CRTSII type), the nonlinear behavior of bearings, the elastic-plastic behavior of piers, the simply supported bridges and embankments on both sides of the bridge were considered. With the time history analysis method for nonlinear seismic responses of structures, the track system’s restriction effect was studied. Moreover, many parameters including the gap between shear keys and bearing bases, the friction coefficient and radius were analyzed for seismic isolation effects of friction pendulum bearing. In addition, isolation effects of two seismic reduction schemes for the bridge were compared. The results indicate that the restriction effect of track system can change the dynamic characteristics and seismic responses of bridge structures, and the homogeneity of transverse distributions about shear forces at the bottom of piers is magnified. Friction pendulum bearing can give full play to isolation effect when the design gap of shear keys increases properly. Transverse seismic responses of structures are more sensitive to the changes of the friction coefficient of friction pendulum bearing than the changes in radius, and friction coefficient varying from 0.03 to 0.04 is more reasonable.

high-speed railway continuous beam bridge; friction pendulum bearing (FPB); transverse earthquake; pounding effect; seismic isolation

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.03.002

U442.55

A

1672 − 7029(2019)03 − 0564 − 09

2018−04−04

国家自然科学基金面上资助项目(51378504)

杨孟刚(1976−) 男，江西安义人，教授，博士，从事桥梁抗震与减隔震控制研究；E−mail：mgyang@csu.edu.cn

(编辑 涂鹏)