城际铁路大跨度连续梁桥减隔震分析

黄瑞峰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

在建城际铁路需跨越众多交通干道、江河及沟谷障碍时，大跨度连续梁桥因其良好的经济性、成熟的设计和施工技术而成为首选方案。大跨度连续梁桥的大吨位支座以及对温度、收缩徐变等次内力的高敏感性导致其在高烈度地震区的抗震设计成为控制关键。近年来由于减隔震技术的快速发展以及对防灾救援的理性思考，通过减隔震技术来改善大跨度连续梁桥的抗震性能得到了大力发展和推广。对于大跨度连续梁桥的抗震问题，常规的解决方案是延性设计和减隔震设计[1-2]。延性设计的特点是在地震力作用下桥墩结构本身产生塑性变形，从而延长了结构周期，同时消耗了地震能量。减隔震设计的特点是使用减隔震装置来延长结构周期或增加结构阻尼以减小地震效应。对于城际铁路而言，若采用延性设计，震后修复工作量巨大不易开展，且大跨度连续梁支座吨位较大，延性设计很难满足规范要求[3-4]。因此，本文针对铁路网高烈度区的大跨度连续梁桥，通过采用减隔震支座和黏滞阻尼器相结合的措施研究其减隔震性能及工程应用情况。

1 工程概况及模型

1.1 工程概况

西法城际作为陕西关中城际铁路网的关键组成部分，不仅是连接西安北站与咸阳国际机场的轨道交通要道，也是陕西城际铁路网中的交通干线和旅游环线。新建桥梁跨越高速公路时，按照立交协议采用(77+128+77)m预应力混凝土连续梁跨越道路，总体布置见图1。

图1 桥梁总体布置 (单位：cm)

连续梁上部设计为变高度单箱室箱形截面，中墩支点梁高9.3 m，边墩支点梁高5.5 m。主墩均采用尺寸为4.6 m×9.8 m的圆端形实体墩，边墩分别采用3.8 m×8.2 m的圆端形实体墩和4.0 m×9.4 m的圆端形空心墩；各墩高度为11.5～21.0 m；主墩采用20-φ180 cm 摩擦桩，边墩采用12-φ150 cm摩擦桩。

1.2 有限元模型

通过MIDAS/Civil软件建立实桥的空间梁单元模型。钻孔桩基的模拟采用6自由度的弹簧，按“m”法计算桩基弹簧。根据地质专业勘察报告可知，桥址处地层为饱和粉细砂土及粉黏土夹层，按勘探报告计算考虑20 m液化深度。二期恒载采用等效质量均布于主梁之上。

1.3 地震动选取输入

桥梁位于8度区(地震动峰值加速度为0.2g，特征周期Tg为0.4 s)，地震烈度较高，且该桥主跨跨度较大，支座吨位大，桥墩墩高低，地震响应大。结合波速测井试验结果及规范要求，按50年超越概率63%，10%，2%分别拟合3条人工波。本文取其中具有代表性的人工波作为地震波输入进行罕遇地震(50年超越概率2%)响应分析，见图2。

图2 罕遇地震下的人工波时程曲线

2 减隔震原理及措施

2.1 减隔震原理

摩擦摆减隔震支座的设计特征在于利用摩擦耗能实现减震功能，利用摆动延长周期来实现隔震。摩擦摆球形支座的模拟采用常规的双线性弹性模型，其典型的荷载-位移滞回曲线见图3。其中：Kp为支座初始刚度；Kc为屈服后刚度；Keff为等效刚度；dy为屈服位移;μ为动摩擦因数；W为竖向荷载。

图3 支座的荷载-位移滞回曲线

黏滞阻尼器由缸体、活塞、液压阀和硅油组成，其特点是活塞通过循环往复运动带动内部液体流动以产生阻尼效果。阻尼力与速度的关系表达式为

F=CVα

式中：F为阻尼力；C为阻尼系数；V为相对运动速度；α为速度指数，取值范围为0.01～2.00，实际桥梁工程常规的取值范围均在0.2～0.5。

黏滞阻尼器作为刚度结构，并不会改变结构固有的动力特性，仅为整体结构提供附加阻尼。由上式可知，在正常温度应力、收缩徐变作用下，阻尼器速度极小，所产生的阻尼力基本不影响结构的正常工作状态；但在地震情况下梁体和墩顶之间相对运动速度较大，输出的阻尼力也较大，且阻尼器本身的往复运动也会有效消耗地震能量[3]。

2.2 减隔震措施

通过对比计算及参数研究，确定该桥边墩、主墩分别采用竖向承载力 8 000，60 000 kN 的减隔震支座，等效半径分别为2.5，6.0 m，动摩擦因数均为0.05；阻尼系数均为 4 000 kN/(mm·s-1)，速度指数均为0.3，设计吨位均为 3 500 kN。 全桥共设12个阻尼器，其中主墩各4个，边墩各2个。主墩阻尼器的布置如图4所示。

图4 阻尼器布置示意(单位：cm)

在遭遇多遇地震时，可认为连续梁仅通过固定墩来单独承受全联的地震作用，摩擦摆支座的剪力销完好，仅由支座摩擦耗能来保证桥梁结构的正常使用及多遇地震下桥梁的伸缩位移。一旦超越多遇地震，剪力销丧失功能，主墩、边墩则共同分担地震效应，支座通过摩擦耗能、延长周期，进而降低地震效应；黏滞阻尼器开始工作，阻尼器耗能可控制墩梁之间的相对位移在合理范围内[4]。

3 减隔震分析

通过MIDAS/Civil建立有限元模型，根据实际工程模拟摩擦摆支座和黏滞阻尼器，从而研究多遇地震作用下桥梁结构的自振特性和地震响应。计算结果表明：采用摩擦摆支座和黏滞阻尼器相结合的减隔震措施，可明显延长结构的自振周期；在罕遇地震下墩身及基础结构均处于弹性工作范围，且墩梁之间的相对位移有效控制在20 cm之内。采用减隔震措施后主桥第1阶自振周期为2.94 s，相比之前的1.34 s，减隔震设计可有效延长自振周期，且效果较为明显[5-8]。

在罕遇地震作用下顺桥向、横桥向179#—182#墩的墩底地震响应见表1。可知，在摩擦摆支座和黏滞阻尼器相结合的减隔震设计下，可有效地将地震响应较为平均地分配到各墩，从而使全联连续梁共同抗震。

表1 罕遇地震作用下墩底地震响应 kN·m

罕遇地震作用下181#墩的阻尼输出见图5。可知，该桥阻尼器的最大输出结果为 3 353 kN。对照常用设计参数选定设计吨位为 3 500 kN 的阻尼器。

图5 罕遇地震作用下181#墩阻尼输出

图6 罕遇地震作用下181#墩相对位移

罕遇地震作用下181#墩相对位移见图6。可知，顺桥向、横桥向位移最大值分别为11.1，15.4 cm。

罕遇地震作用下181#墩阻尼滞回曲线见图7。可见，曲线线形饱满，耗能效果明显。

图7 罕遇地震作用下181#墩阻尼滞回曲线

根据罕遇地震作用下地震响应结果，采用中铁第一勘察设计院集团有限公司自编软件对桥墩及桩基下部结构进行检算，混凝土应力及钢筋应力各项指标均在规范限值内，桥墩、桩基均未超出弹性范围。

4 结论

1)摩擦摆减隔震支座和黏滞阻尼器相结合的减隔震措施，可有效协调各墩均匀分担地震响应，优化结构的抗震性能，顺桥向和横桥向的减震效果均较明显。

2)罕遇地震作用下桥墩和桩基下部结构均处于弹性工作范围，墩梁之间的相对位移在合理范围内。

3)对于铁路大跨度连续梁结构而言，采用组合减隔震措施可有效保障灾后通道的顺畅，明显降低灾后维修难度及成本。