高速铁路钢混连续梁桥弹性约束体系抗震性能研究

杨得旺

中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063

连续梁桥具有力学性能好、经济性优、行车平顺舒适等优点，是高速铁路主跨100～200 m 桥梁的优选桥型。为避免大跨度梁桥设置钢轨伸缩调节器，提出了铁路桥梁弹性约束体系。该体系具有“高静低动”的弹性连接特性，减小了温度联长度，延长了结构自振周期，提高了结构抗震性能。

高速铁路大跨度连续梁桥多采用混凝土结构，刚度大，质量大，且常规连续约束体系单固定墩承担纵向荷载，导致固定墩截面尺寸大，对结构抗震极为不利。地震动力响应与结构体系强相关，相关学者开展了大量的减隔震体系研究。顾海龙等［1］研究了长联大跨度连续梁桥摩擦摆支座+速度锁定器的减隔震体系，并开展了支座力学性能试验；陈杰［2］、种博肖［3］针对多主跨高速铁路连续梁桥研究了双曲面球型减隔震支座+黏滞阻尼器的减隔震体系；许延祺［4］针对主跨60 m公路连续梁研究了限位索+摩擦摆盆式支座的减隔震体系；邵长江等［5］针对超高墩大跨度铁路连续钢桁梁桥研究了通过设置黏滞阻尼器提升结构纵向减震性能的方法；李晓波［6］分别对比研究了速度锁定Lock⁃up 装置、黏滞阻尼器和双曲面球型支座的减隔震性能。

上述研究成果对连续梁桥抗震设计提供了技术支撑，尚无关于连续梁桥弹性约束体系抗震性能的研究。本文以一座高速铁路大跨度钢混连续梁桥为背景，对比分析弹性约束体系、连续约束体系桥梁的抗震性能，探究弹性约束体系对结构地震响应的影响。

1 工程概况

1.1 桥式方案

在建高速铁路大跨度钢-混连续梁桥立面布置见图1，主桥跨径为（80+160+80）m，两侧引桥采用32 m标准跨混凝土简支梁。该桥为双线铁路桥，线间距5.0 m，设计活载为ZK活载，设计速度350 km/h。主桥平面位于直线上，纵断面位于+4.8‰、-5.6‰纵坡上。如按常规连续约束体系设计，温度联长240.8 m。根据桥上轨道受力要求，需设置钢轨伸缩调节器。因此，为避免设置钢轨伸缩调节器，减少运营期间养护维修工作量，以该桥为工程背景提出了连续梁桥弹性约束体系，并对比分析弹性约束体系和连续约束体系桥梁的抗震性能。

图1 主桥立面布置（单位：cm）

1.2 结构设计

主梁采用钢混连续结构，中跨72 m 长范围采用钢混组合梁，其余部分采用混凝土梁。主梁截面采用变高度单箱单室截面，中支点梁高11.0 m，边跨和中跨直线段梁高6.2 m。主梁横断面见图2。

图2 主梁横断面（单位：cm）

桥墩采用圆端形实体墩，1#、4#边墩尺寸为7.5 m（高）× 3.6 m（纵向长）× 8.6 m（横向宽）；2#、3#边墩尺寸为14.5 m（高）× 5.8 m（纵向长）× 9.8 m（横向宽）。基础采用钻孔摩擦桩，2#、3#主墩采用16 根ϕ2.0 m 钻孔桩，1#、4#边墩采用10根ϕ1.25 m钻孔桩。

1.3 约束体系及参数选取

1.3.1 连续约束体系

连续约束体系支座布置见图3。每个桥墩横向设两个球型支座，支座间距6.0 m，边墩支座设计竖向承载力10 MN，中墩支座设计竖向承载力80 MN。1#、4#边墩以及3#中墩设一个纵向活动、一个多向活动球型钢支座，2#中墩设一个固定、一个横向活动球型钢支座。

图3 连续约束体系支座布置（单位：cm）

1.3.2 弹性约束体系

弹性约束体系最早在大跨度斜拉桥塔梁约束中提出，塔梁弹性约束需兼顾结构静动力受力性能，许多学者已开展了较广泛的研究［7-10］。弹性约束装置虽具有良好的减震性能，但其造价高、维护养修困难、构造复杂，未在中小跨度桥梁中推广应用。弹性约束多功能支座集支承装置、弹性约束装置、纵向限位装置于一体，具有“高静低动”负刚度装置的特性［11-12］，为连续梁桥提供了一种新型弹性约束体系。正常运营状态下全桥支座最大静摩阻力、弹性约束装置使得结构体系获得高刚度以满足行车要求；地震作用下纵向水平力克服了最大静摩阻力，弹性约束多功能支座降低了体系刚度，延长了桥梁自振周期。

弹性约束体系支座布置见图4。1#、4#边墩支座布置与连续约束体系相同，设计竖向承载力10 MN。2#、3#中墩各设两个弹性约束多功能支座，竖向设计承载力80 MN，水平设计承载力8 MN。

图4 弹性约束体系支座布置（单位：cm）

1）弹性刚度中墩弹性约束多功能支座弹性刚度计算值k计算为

式中：μ0为支座摩擦因数，一般取0.03；P为支座竖向设计承载力；α为线膨胀系数；L为连续梁桥中跨跨度。

设计弹性刚度k不宜大于计算值的10%，且不小于40 kN/mm。

按照上述计算原则，该桥支座弹性刚度计算值为60 kN/mm。根据弹性约束装置中碟簧组合形式，支座设计弹性刚度取60 kN/mm。

2）弹性位移中墩弹性约束多功能支座弹性位移计算值e计算为

式中：e0为温度作用下支座处主梁位移；δ为位移富余量，一般取10～15 mm。

该桥按结构整体升降温 ±25 ℃考虑，弹性位移计算值为34～39 mm，故支座设计弹性位移取35 mm。

2 动力特性分析

采用MIDAS/Civil建立空间有限元模型，主桥两侧各建立1 孔32 m 标准跨简支梁，主梁、墩柱采用梁单元模拟，桩基础采用等效承台底刚度模拟。

常规活动球型支座的摩擦效应采用双线性弹性连接模拟，力学模型见图5（a）。弹性约束多功能支座的摩擦效应、弹性约束、纵向限位分别采用滞后非线性弹性支承、弹性连接、间隙单元模拟，力学模型见图5（b）。其中，ab阶段与常规活动球型支座类似，模拟支座启动摩擦效应；bc阶段为弹性约束阶段，约束刚度即为支座设计弹性刚度；cd阶段为纵向限位阶段，支座位移达到设计弹性位移，限位挡块承担纵向水平荷载。

图5 支座力学模型

对于常规活动球型支座，初始刚度k0为

式中：fmax为活动支座临界滑动摩擦力；μ为支座滑动摩擦因数，取0.03；R为支座反力；x0为支座水平屈服位移，取3 mm。

对于弹性约束多功能支座，不同阶段刚度分别为

不同阶段纵向水平承载力分别为

式中：f'max为多功能支座临界滑动力；k为设计弹性刚度，取60 kN/mm；x1为设计弹性位移，取35 mm；F0为纵向水平设计承载力，取8 MN。

连续约束体系、弹性约束体系前三阶动力特性见表1。可知：与连续约束体系相比，弹性约束体系一阶纵飘周期由1.286 s 延长至2.238 s，延长率74.0%；两种约束体系横向、竖向动力特性基本一致，即弹性约束体系仅影响纵向动力特性。

表1 两种约束体系结构动力特性

3 抗震性能分析

3.1 地震设计参数

根据该桥工程场地地震安全性研究报告，桥址地质以黏性土、砂土为主，场地类别为Ⅱ类，地震烈度为Ⅵ度。工程场地地表处水平地震动参数见表2。可知，50 年超越概率10%（设计地震工况）、50 年超越概率2%（罕遇地震工况）下水平地震动峰值加速度分别为0.785、1.373 m/s2，地震反应谱特征周期分别为0.45、0.50 s。

表2 工程场地地表处水平地震动参数

根据地震加速度反应谱人工合成设计、罕遇地震加速度时程曲线，结构阻尼比取0.05，地震动时间取40 s，时间步长取0.02 s。设计地震、罕遇地震工况各选取三组时程曲线，竖向地震加速度取水平加速度的65%，其中一组水平加速度时程曲线见图6。

图6 水平加速度时程曲线

3.2 桥墩纵向剪力响应

地震作用下桥墩纵向剪力见图7。可知，采用弹性约束体系后，2#墩设计、罕遇地震工况下桥墩纵向剪力减震率分别为61.26%、40.56%，而且各墩纵向剪力更均匀，显著降低了连续约束体系固定墩地震响应，因此，可以进一步优化墩柱和基础尺寸。

图7 地震作用下桥墩纵向剪力

3.3 位移响应

3.3.1 墩顶纵向位移

地震作用下墩顶纵向位移见图8。可知：采用弹性约束体系后，2#墩设计、罕遇地震工况下墩顶位移分别减少52.2%、56.8%，3#墩罕遇地震工况下墩顶位移增加8.9%。与连续约束体系相比，弹性约束体系对1#、4#边墩墩顶纵向位移基本无影响；2#墩与主梁连接由固定约束变为弹性约束，显著降低了墩顶纵向位移；3#墩与主梁连接由活动约束变为弹性约束，因此墩顶纵向位移略有增加。

图8 地震作用下墩顶纵向位移

3.3.2 支座纵向位移

地震作用下支座纵向位移见图9。可知，对于连续约束体系，2#墩与主梁之间为固定约束，地震作用下支座无纵向位移；对于弹性约束体系，2#、3#墩与主梁之间为弹性约束，设计地震工况下支座位移小于设计弹性位移35 mm，罕遇地震工况下支座位移达到设计弹性位移35 mm，即设计地震工况下墩梁处于弹性约束状态，罕遇地震工况下墩梁处于有限位移弹性约束状态。

图9 地震作用下支座纵向位移

3.3.3 梁端相对位移

弹性约束体系罕遇地震工况下1#、4#墩梁端相对位移最大值分别为63.5、53.2 mm；连续约束体系罕遇地震工况下1#墩、4#墩梁端相对位移最大值分别为-50.3、-52.2 mm，均小于1#、4#边墩梁缝200 mm。

3.4 弹性约束多功能支座承载力检算

弹性约束多功能支座纵向限位挡块水平设计承载力为8 000 kN，弹性约束装置水平承载力2 800 kN。设计、罕遇地震工况下弹性约束多功能支座水平承载力检算结果见表3。可知：弹性约束装置、纵向限位装置均满足承载力设计要求，且设计地震工况下纵向水平力均由弹性约束装置承担，罕遇地震工况下纵向水平力由纵向限位装置、弹性约束装置共同承担。

表3 弹性约束多功能支座纵向水平承载力检算结果 kN

3.5 墩顶纵向刚度对减震性能的影响

2#、3#墩墩顶纵向设计刚度分别为7 422、6 897 kN/cm，通过材料弹性模量依次调整2#墩、3#墩墩顶刚度至3 000 kN/cm。地震作用下2#墩纵向剪力减震率见图10。可知：设计地震工况下，墩顶纵向剪力减震率随刚度增加而增加，平均减震率为60%；罕遇地震工况下，墩顶纵向剪力减震率随刚度增加而减小，平均减震率为43%。整体上看，不同墩顶纵向刚度对减震性能影响有限，减震率变化幅度在5%以内。

图10 地震作用下2#墩纵向剪力减震率

4 结论

1）弹性约束体系显著延长了桥梁结构自振周期，一阶纵飘周期由1.286 s 延长至2.238 s，延长率74.0%。

2）弹性约束体系有效减小了桥墩纵向剪力和墩顶水平位移，设计、罕遇地震工况下纵向剪力减震率分别为61.26%、40.56%。

3）弹性约束体系桥梁设计地震工况下墩梁处于弹性约束状态，罕遇地震工况下墩梁处于有限位移弹性约束状态，纵向水平力由纵向限位装置、弹性约束装置共同承担。

4）弹性约束体系能够减小连续梁桥温度联长，同时具有“高静低动”的弹性连接特性，显著提升了结构抗震性能。