唐 峰 肖質(zhì)江 王 炎

(1.金華市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，浙江金華 321005;2.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

1 概述

地震作為自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重危害到人們的生命及國家財(cái)產(chǎn)安全。歷次地震災(zāi)害表明，地震將導(dǎo)致大量的橋梁倒塌，給搶險(xiǎn)救災(zāi)帶來嚴(yán)重的影響［1-4］。中國高速鐵路橋梁建設(shè)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，鐵路橋梁作為鐵路交通的咽喉，在現(xiàn)代運(yùn)輸體系中至關(guān)重要。采用隔震支座對橋梁進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，可以在地震時(shí)有效地控制橋梁地震力和位移，可使橋梁結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷強(qiáng)震后仍能滿足橋梁安全和功能要求。合理的橋梁隔震設(shè)計(jì)，可以使隔震支座在限制地震力傳遞的同時(shí)，滿足大位移的要求［5］。

本文以某高速鐵路客運(yùn)專線上采用摩擦擺式支座的32 m簡支梁橋?yàn)閷ο?，用有限元軟件模擬分析了該橋的縱向地震反應(yīng)，討論了減隔震支座的減震性能及碰撞效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響。

2 結(jié)構(gòu)概況

圖1為某新建鐵路客運(yùn)專線上采用摩擦擺式支座的雙線特大橋總體布置圖，該橋的孔跨布置為24×32 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋結(jié)構(gòu)，截面為單箱單室等高度箱梁，梁端頂板、底板及腹板局部向內(nèi)側(cè)加厚。橋梁寬12.0 m，橋梁建筑總寬12.28 m。箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖2。

3 有限元計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，在地震作用下上部結(jié)構(gòu)和橋墩保持彈性狀態(tài)，故橋墩和主梁均采用線性梁單元模擬;橋墩下端采用固定約束，忽略土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用;橋墩與箱梁之間的減隔震支座以及支座的碰撞效應(yīng)均采用非線性彈簧單元模擬。全橋計(jì)算模型共用520個(gè)線彈性梁單元和406個(gè)支座彈簧單元。圖3為結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型示意圖。

圖4為摩擦擺式支座的力學(xué)模型，它是利用球面滑動(dòng)提供恢復(fù)剛度和摩擦耗能，當(dāng)滑塊離開中心點(diǎn)時(shí)，受到的水平分力F為:

當(dāng)θ較小時(shí)，水平分力可近似為:

其中，W為支座豎向反力;D為水平擺動(dòng)距離;R為滑動(dòng)面曲率半徑;μ為滑動(dòng)面摩擦系數(shù);θ為中心滑塊位置擺角。

根據(jù)本橋設(shè)計(jì)參數(shù)得到的減震支座荷載—位移曲線如圖5所示。圖中，F(xiàn)y為支座屈服力;K1，K2分別為支座的一次和二次剛度［6］。

考慮到地震動(dòng)作用下，支座位移有可能超出支座的最大限位而發(fā)生碰撞現(xiàn)象。為此，本文計(jì)算分析的計(jì)算中考慮碰撞效應(yīng)，在有限元計(jì)算模型中模擬了碰撞彈簧。碰撞彈簧采用雙直線計(jì)算模型，二次剛度取支座彈簧二次剛度的50 000倍，如圖6所示為限位30 mm的碰撞彈簧的荷載—位移力學(xué)模型。為得出規(guī)律性結(jié)果，本文分析了屈服位移分別為20 mm，30 mm，40 mm，50 mm四種工況，這幾種屈服位移對應(yīng)的屈服力均為0.000 1 kN。

4 地震動(dòng)選擇

本文在進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析時(shí)，地震荷載沿橋的縱向分別施加在每個(gè)橋墩的底部節(jié)點(diǎn)上。圖7給出了輸入地震動(dòng)的加速度時(shí)程圖，圖中的橫坐標(biāo)為時(shí)間T，豎坐標(biāo)為地震動(dòng)加速度時(shí)程A。地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜如圖8所示，從圖8可以看出，計(jì)算分析選取的地震動(dòng)與設(shè)計(jì)目標(biāo)反應(yīng)譜基本吻合，可以較好的反映結(jié)構(gòu)所處場地的地震特性。

5 計(jì)算結(jié)果

為對比分析減隔震支座的減隔震效果，圖9給出了采用摩擦擺式支座和采用普通支座兩種不同結(jié)構(gòu)的墩頂最大位移計(jì)算結(jié)果。圖中豎坐標(biāo)為采用減隔震支座的結(jié)構(gòu)墩頂最大位移與采用非減隔震支座的結(jié)構(gòu)墩頂最大位移之比(Ds/D0)，橫坐標(biāo)為橋墩編號(hào)。從圖中的數(shù)據(jù)可以看出:考慮支座限位引起的碰撞效應(yīng)后，所有橋墩墩頂橫向位移均呈增大趨勢，限位越小，增大越明顯。相對于普通支座來說，大部分墩頂位移還是呈減小趨勢，個(gè)別橋墩墩頂位移呈增大趨勢。支座限位為20 mm時(shí)，墩頂位移與普通支座的計(jì)算結(jié)果的比值在52.65%～29.91%變化，個(gè)別橋墩的最大比值達(dá)到221.74%;支座限位為30 mm時(shí)，比值在73.38%～18.58%變化，個(gè)別橋墩的最大比值達(dá)到204.35%;支座限位為40 mm時(shí)，比值在85.75%～8.70%變化，個(gè)別橋墩的最大比值達(dá)到313.04%;支座限位為50 mm時(shí)，比值在16.67%～5.60%變化。

圖10給出了采用摩擦擺式支座和普通支座兩種不同結(jié)構(gòu)的墩底最大剪力計(jì)算結(jié)果。圖中豎坐標(biāo)為采用減隔震支座的結(jié)構(gòu)墩底最大剪力與采用非減隔震支座的結(jié)構(gòu)墩底最大剪力之比(Fs/F0)，橫坐標(biāo)為橋墩編號(hào)。從圖中的數(shù)據(jù)可以看出:考慮支座限位引起的碰撞效應(yīng)后，所有橋墩墩底剪力均呈增大趨勢，限位越小，增大越明顯。相對于普通支座來說，大部分橋墩墩底剪力還是呈減小趨勢，個(gè)別橋墩墩底剪力呈增大趨勢。支座限位為20 mm時(shí)，墩底剪力與普通支座的計(jì)算結(jié)果的比值在88.36%～38.86%變化，個(gè)別橋墩的最大比值達(dá)到226.74%;支座限位為30 mm時(shí)，比值在85.06%～23.45%變化，個(gè)別橋墩的最大比值達(dá)到305.09%;支座限位為 40 mm 時(shí)，比值在 96.13%～10.56%變化，個(gè)別橋墩的最大比值達(dá)到317.33%;支座限位為50 mm時(shí)，比值在 34.62%～8.66%變化。

圖11給出了采用普通支座和摩擦擺式支座兩種不同結(jié)構(gòu)的墩底彎矩計(jì)算結(jié)果。圖中豎坐標(biāo)為采用減隔震支座的結(jié)構(gòu)墩底最大彎矩與采用非減隔震支座的結(jié)構(gòu)墩底最大彎矩之比(Ms/M0)，橫坐標(biāo)為橋墩編號(hào)。從圖可以看出:考慮支座限位引起的碰撞效應(yīng)后，所有橋墩墩底彎矩均呈增大趨勢，限位越小，增大越明顯。相對于普通支座來說，大部分橋墩墩底彎矩還是呈減小趨勢，個(gè)別橋墩墩底彎矩呈增大趨勢。支座限位為20 mm時(shí)，墩底彎矩與普通支座的計(jì)算結(jié)果的比值在76.80%～32.02%變化，個(gè)別橋墩的最大比值達(dá)到225.95%;支座限位為30 mm時(shí)，比值在67.71%～20.35%變化，個(gè)別橋墩的最大比值達(dá)到204.93%;支座限位為40 mm時(shí)，比值在97.41%～8.77%變化，個(gè)別橋墩的最大比值達(dá)到315.23%;支座限位為50 mm時(shí)，比值在20.19%～6.26%變化。

6 結(jié)語

本文以某高速鐵路客運(yùn)專線上采用摩擦擺式支座的32 m簡支梁橋?yàn)閷ο?，建立了考慮支座碰撞效應(yīng)的非線性三維有限元計(jì)算模型，并對其進(jìn)行地震時(shí)程反應(yīng)分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)地震動(dòng)作用下，采用摩擦擺式支座后，橋梁墩頂縱向位移顯著減小。但是隨著墩頂縱向位移的減小，支座相對位移卻大大增大，超出支座的限位。

2)考慮支座的碰撞效應(yīng)后，所有支座的相對位移均滿足支座的限位要求，但是墩頂位移及墩底內(nèi)力均有增大趨勢，特別是個(gè)別橋墩的墩頂位移及墩底內(nèi)力較采用普通支座的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有放大現(xiàn)象。

3)隨著支座限位的增大，墩頂位移及墩底內(nèi)力均呈減小趨勢。

［1］張向民，陳秀方.無縫線路軌道穩(wěn)定性簡便計(jì)算方法［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2007(1):124-126.

［2］薛素鐸，趙 偉，李雄彥.摩擦擺支座在單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的隔震分析［J］.世界地震工程，2007(2):41-45.

［3］楊風(fēng)利，鐘鐵毅，夏 禾.鐵路簡支梁橋減隔震支座設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2006(3):128-132.

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［6］王 炎，謝 旭，申永剛.近場地震作用下鐵路減震橋梁地震響應(yīng)研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2012(12):102-109.