八度地震区铁路大跨度连续梁桥减隔震设计

2022-02-12陈杰

铁道建筑 2022年1期

关键词：阻尼器剪力支座

陈杰

中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070

1 工程概况

宿淮铁路跨越徐洪河Ⅲ级航道采用（66.5+108+108+66.5）m预应力混凝土连续梁（图1），线路与河道交角64°，航道净宽70 m，净高7 m。主桥连续梁联长348 m，主墩采用圆形桥墩以满足通航论证及防洪评价要求。

图1 跨徐洪河主桥立面（单位：m）

连续梁跨中及边跨直线段梁高4.0 m，中支点梁高7.6 m，箱梁顶宽8.0 m，底宽6.0 m，在中支座4.0 m范围内加宽至7.8 m。梁体为变高度、变截面单箱单室结构，见图2。箱梁采用纵向和竖向预应力体系。

图2 连续梁横断面（单位：cm）

61#、62#、65#墩采用圆端形实体桥墩，63#、64#墩采用圆形实体桥墩，61#—65#的墩高分别为11.0、6.5、15.0、14.0、10.0 m；连续梁两侧相邻联跨径分别为40 m简支箱梁和32 m简支T梁。全桥基础均采用钻孔灌注桩基础。

2 减隔震设计

该桥纵向和横向的地震反应极为复杂，抗震设计是墩身及桩基础设计的关键，需采用两个方向的减隔震体系以满足抗震安全的要求。

2.1 地震动参数

本桥场地抗震设防烈度为八度，场地土属中软～中硬土，场地类别划分为Ⅲ类场地，地震动反应谱特征周期为0.45 s［1］。多遇地震、设计地震、罕遇地震作用下水平地震加速度分别为0.07g、0.20g、0.38g。根据规范设计谱生成罕遇地震人工波，见图3。可知，三条人工波时程曲线加速度峰值分别为395.4、375.2、354.1 cm/s2。

图3 罕遇地震作用下三条人工波时程曲线

2.2 减隔震原理

双曲面球型减隔震支座（图4）集合了摩擦摆支座和球型钢支座的优点，利用钟摆机理延长桥梁的自振周期［2-4］。当地震水平力超过设定值时，限位装置抗剪销及安全螺钉剪断，球面摩擦副就可自由滑动，通过摩擦阻力逐渐消耗地震能量。双曲面球型减隔震支座具有良好的大位移能力、自复位功能和稳定性［5-7］。

图4 双曲面球型减隔震支座构造

黏滞阻尼器通常由缸体、活塞、黏滞性流体、活塞杆等部件组成，在结构变形作用下活塞杆推动活塞与缸体之间发生相对运动，活塞的往复运动带动内部黏滞性流体运动，分子相对运动和内部流体与缸体表面产生的摩擦力转换成热能，即将地震能量转化为分子热能，产生阻尼效果，达到耗能目的。黏滞性阻尼器的阻尼力F与最大反应速度V的关系为F=CVα。其中：C为阻尼系数；α为速度指数，取0.1～2.0［8］。

2.3 减隔震支座及阻尼器参数选择

在罕遇地震作用下，分别对支座的曲率半径R、摩擦因数μ、阻尼器的阻尼系数C和速度指数α进行参数敏感性分析。考虑墩底弯矩、支座和阻尼器位移应控制在设计容许范围内，选择如下减隔震装置参数：61#、65#墩采用R=4 m，μ=0.05的双曲面球型减隔震支座，62#—64#墩采用R=5 m，μ=0.05的双曲面球型减隔震支座；62#—64#墩纵向采用C=2500 kN/（m·s-1）0.7的阻尼器，地震行程25 cm。减隔震装置布置见图5，双曲面球型减隔震支座转角为0.02 rad，技术参数见表1。

图5 墩顶减隔震装置布置平面示意（单位：m）

表1 双曲面球型减隔震支座技术参数

2.4 减隔震分析

主桥选用双曲面球型减隔震支座与黏滞阻尼器并联的减隔震体系作为减隔震方案。建立空间动力有限元分析模型，多遇地震作用下采用反应谱法对全桥结构的地震响应进行分析，设计地震和罕遇地震作用下采用非线性动力时程曲线进行减隔震反应分析。罕遇地震作用下传统抗震方案与减隔震方案设计对比见表2。可知，与传统抗震方案相比，减隔震方案中全桥桩基共减少直径1.0 m的桩8根、直径1.5 m的桩22根，且桩基配筋均减小1倍以上；63#、64#主墩截面尺寸减小。综合考虑，减隔震方案更经济。减隔震方案中桥墩刚度见表3。

表2 传统抗震方案与减隔震方案设计对比

表3 减隔震方案中桥墩刚度 kN·cm-1

罕遇地震作用下有无减隔震设计的桥墩墩底剪力及弯矩分别见表4和表5。采用减隔震设计后，罕遇地震作用下横桥向输入地震波桥墩墩底剪力和弯矩减小比例见图6。由表4、表5、图6可知：63#墩纵桥向剪力和弯矩分别减小76%、81%以上；各桥墩横桥向剪力减小56%以上，绕纵桥向弯矩减小60%以上。说明采用减隔震体系后桥墩受力明显改善。

表4 桥墩墩底剪力（罕遇地震） kN

表5 桥墩墩底弯矩（罕遇地震） kN·m

图6 桥墩墩底剪力和弯矩减小比例

罕遇地震作用下阻尼力及支座位移见表6。可知：阻尼力及位移均在阻尼器和支座生产应用的合理范围；最大纵桥向位移小于61#、65#边墩顶梁缝0.3 m，可以满足梁部位移需求；最大横桥向位移不大于支座设计地震位移0.25 m。

表6 罕遇地震作用下阻尼力及支座位移

2.5 双曲面球型减隔震支座水平极限荷载选取

水平极限荷载取值原则：正常使用状态下确保支座不剪断且有一定的安全储备；在地震作用下以隔震装置抗震为主，多遇地震作用下支座抗剪销不破坏，设计地震及罕遇地震作用下支座抗剪销剪断、减震支座及纵向阻尼器发挥减隔震作用；考虑材料（抗剪销）发挥作用在一定的区间，剪断力取值分上下限值。

水平极限荷载上限值取值原则：确保减震支座发挥作用。该值是水平荷载作用下抗剪销剪断的临界值，水平极限荷载超过上限值时抗剪销必须剪断，抗剪销的剪断力应接近上限值，且不超过上限值。

水平极限荷载下限值取值原则：确保支座在常规状态、多遇地震下安全使用。该值是水平荷载作用下抗剪销不发生剪断的保证值，抗剪销的剪断力必须大于下限值。

多遇地震作用和正常使用状态下减隔震支座的水平极限荷载安全系数Q1和Q2分别为

式中：K为地震计算分析桩基或墩身能力验算的安全系数；N为减隔震支座水平极限荷载；F为多遇地震作用下固定支座剪力；F正为正常使用状态下列车制动力、牵引力等水平荷载的最大值。

结合建立的结构动力特性分析模型，采用反应谱法对结构进行多遇地震作用下地震响应分析计算，得到多遇地震作用下固定支座剪力和桩基弯矩安全系数，分别见表7和表8。

表7 多遇地震作用下固定支座剪力 kN

表8 多遇地震作用下桩基弯矩安全系数

JTG/T B02⁃01—2008《公路桥梁抗震设计细则》规定：采用减隔震设计的桥梁，在地震作用下应以减隔震装置抗震为主；采用减隔震设计的桥梁应满足正常使用条件的要求。结合双曲面球型减隔震支座生产时在一定区间内材料才发挥作用，建议以多遇地震状态作为设防地震力，Q1宜在1.5～2.0，数值太大不利于发挥减隔震的优势，数值太小难以满足多遇地震状态下支座的使用；Q2宜大于2.0，保证正常使用状态下支座的使用。结合Q1、Q2及支座生产情况可得减隔震支座水平极限荷载，参见表1。