曹志峰，臧曉秋，石秋君，孫明德

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

常用跨度簡支箱梁橋是鐵路橋梁結(jié)構(gòu)中最簡單、應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)形式，尤其是在大規(guī)模的高速鐵路和城際鐵路建設(shè)中。因此，結(jié)構(gòu)中一些細微的改進就有可能帶來很大的經(jīng)濟效益[1-2]。

常用跨度簡支箱梁橋主要由梁體和墩臺及其支撐體系構(gòu)成，支撐體系是梁體和墩臺之間關(guān)聯(lián)部件的總稱，具有承受并傳遞豎向荷載和水平荷載、適應(yīng)梁端位移和轉(zhuǎn)角的作用。傳統(tǒng)支撐體系由橋梁支座和防落梁擋塊組成，由于橋梁支座和防落梁裝置不具有耗能功能，因此在地震作用下只能通過橋墩延性抗震。對于重力式橋墩來說，由于橋墩本身剛度很大，難以出現(xiàn)塑性鉸，因此無法采用延性設(shè)計方法，一旦發(fā)生超出設(shè)計地震烈度的強烈地震，結(jié)構(gòu)幾乎不可避免地會遭到嚴重損傷甚至破壞。支撐體系是影響橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的主要因素，因此本文進行了鐵路常用跨度簡支梁橋新型支撐體系的研究。該支撐體系除具有傳統(tǒng)支撐體系的全部功能外，還具有耗能減震作用。其主要特點是將簡支箱梁橋梁體和墩臺兩端的“固定-活動”約束轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄约s束，可顯著改善墩臺受力，有效提高結(jié)構(gòu)抗震能力[2-4]。

本文采用動力仿真方法，選擇跨度40 m高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋為研究對象，對簡支箱梁橋新型支撐體系的減震性能進行研究。

1 新型支撐體系的組成及受力特征

1.1 新型支撐體系的組成

新型支撐體系在組成上與傳統(tǒng)支撐體系的不同之處在于該體系是由橋梁支座和阻尼裝置組成，其中橋梁支座均為多向活動支座。該體系組成如圖1所示。

圖1 新型支撐體系組成示意

1.2 新型支撐體系的受力特征

新型支撐體系與傳統(tǒng)支撐體系相比，特點在于其實現(xiàn)了支座水平力的傳遞與豎向支承功能的完全分離，梁體傳來的豎向荷載仍由支座承擔，而梁體的水平荷載則由阻尼裝置承擔。其最顯著的受力特征是梁體水平向約束狀態(tài)的改變，由傳統(tǒng)支撐體系的“固定-活動”約束(見圖2(a))轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦椭误w系的彈塑性約束(見圖2(b))。

圖2 2種支撐體系約束狀態(tài)示意

2 新型支撐體系設(shè)計原則

根據(jù)新型支撐體系的組成和受力特征可以看出阻尼裝置并不只是在結(jié)構(gòu)受到地震作用時提供額外剛度和阻尼的附加裝置，同時也是承擔梁體運營期間水平荷載的重要構(gòu)件，在整個支撐系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。因此，新型支撐體系設(shè)計的關(guān)鍵是阻尼裝置的設(shè)計?，F(xiàn)有的阻尼材料有速度相關(guān)型和位移相關(guān)型2種，根據(jù)新型支撐體系對于阻尼裝置的性能要求，本文選用位移相關(guān)型阻尼材料——軟鋼。軟鋼拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖3)可分為4個階段：彈性階段(OA)、屈服階段(AB)、強化階段(BC)和破壞階段(CD)。設(shè)計時依據(jù)剛度配置合理和阻尼約束有效的原則。

圖3 軟鋼拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.1 剛度配置合理

由于新型支撐體系中阻尼裝置是承擔結(jié)構(gòu)水平荷載的重要構(gòu)件，因此通過精細化設(shè)計與制造，使阻尼裝置在正常運營荷載下以及多遇地震作用下處于彈性工作區(qū)間。由軟鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(參見圖3)可知，日常運營荷載以及多遇地震作用下阻尼裝置的應(yīng)力段應(yīng)位于OA區(qū)間。

2.2 阻尼約束有效

為保證阻尼約束的有效性，首先要選擇塑性階段長、耗能能力強的鋼材，其次設(shè)計時應(yīng)該合理選擇工作應(yīng)變范圍，在保證安全的前提下充分利用材料。顯然，進入塑性階段后阻尼裝置的主要工作應(yīng)變范圍為應(yīng)力平臺段(圖3中AB段)，因此所選軟鋼材料的應(yīng)力平臺越長越好。

3 算例

3.1 工程概況

我國鐵路簡支箱梁橋常用跨度為24，32，40 m，隨著橋梁跨度的增加，地震作用下落梁和支座破壞問題會更加突出。因此，本文選擇跨度40 m高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋為研究對象。梁體為雙線整孔簡支箱梁，橋墩為雙線圓端形實心橋墩，墩高取10 m。橋址處抗震設(shè)防烈度為8度，場地特征周期為0.45 s，設(shè)計地震動峰值加速度為0.3g,多遇地震動峰值加速度為0.1g,罕遇地震動峰值加速度為0.57g。

3.2 新型支撐體系設(shè)計

本文選用具有等強度特性的短剛臂鋼棒阻尼器作為阻尼裝置[5-6](見圖4)。短剛臂鋼棒阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為2個部分：AB段和BC段。其中AB段為直線，BC段為等強度拋物線，且AB,BC相切于B點。AB段的長度為L1，總長為L。B點所在平面圓的直徑為d0，BC段x點所在平面圓的直徑為d(x)。短剛臂鋼棒阻尼器的設(shè)計參數(shù)見表1。

圖4 短剛臂鋼棒阻尼器主體結(jié)構(gòu)形式

設(shè)計水平力/kN設(shè)計位移/mm極限位移/mm阻尼比屈后剛度比150160 200 0.450.07

基本設(shè)計思路是：

第1步。計算運營荷載和多遇地震作用下阻尼裝置的剛度需求量，從而確定新型支撐體系的最低剛度，據(jù)此確定所需短剛臂鋼棒阻尼器的數(shù)量。

第2步。設(shè)計地震作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能，目的是確定設(shè)計地震作用下新型支撐體系抗震性能是否滿足要求，如滿足要求則進入第3步，如不滿足要求則從第1步重新開始。

第3步。在罕遇地震作用下對結(jié)構(gòu)進行安全性能評估，目的是判斷罕遇地震作用下新型支撐體系是否會發(fā)生落梁。評估的標準是阻尼裝置位移是否超過極限位移，如滿足要求則設(shè)計完成，如不滿足要求則從第1步重新開始。

從上述設(shè)計思路中可以看出，短剛臂鋼棒阻尼器設(shè)計的首要問題是剛度設(shè)計。短剛臂鋼棒阻尼器和橋墩為串聯(lián)剛度體系，其合成剛度k為

式中：k1為阻尼裝置剛度；k2為橋墩剛度。

合成剛度應(yīng)滿足以下要求：

1)運營荷載作用

為滿足運營荷載作用下橋上無縫線路的穩(wěn)定性、安全性及梁體橫向變形要求，縱橫向剛度應(yīng)符合以下規(guī)定[7]。①縱向剛度，根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》，對于跨度40 m混凝土簡支梁，當不做梁-軌共同作用分析時，墩臺頂縱向水平線剛度不宜小于550 kN/cm。②橫向剛度，由TB 10002—2017中無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點橫向相對位移不應(yīng)大于1 mm以及墩頂橫向力的相關(guān)規(guī)定來確定。

2)多遇地震作用

多遇地震剛度需求主要是為了滿足小震不壞的抗震設(shè)計原則，要求多遇地震作用下短剛臂鋼棒阻尼器為彈性狀態(tài)?？筛鶕?jù)橋址處多遇地震下峰值加速度、梁體和二期恒載重量采用靜力法進行計算。

3.3 分析計算

3.3.1 分析模型

模型假定：①橋梁上部結(jié)構(gòu)和橋墩在地震作用下保持線彈性；②不考慮基礎(chǔ)和地基的影響，墩底按固結(jié)處理；③不考慮橋面系對橋墩的縱向約束作用；④不考慮活動支座摩擦力；⑤阻尼裝置的力學性能是單個阻尼器力學性能的線性疊加。

建立有限元模型時，橋墩和箱梁均采用線性梁單元模擬，活動支座、阻尼裝置對應(yīng)的約束條件采用主從關(guān)系處理。有限元分析模型如圖5所示。阻尼裝置采用雙線性恢復力模型，如圖6所示，其中，F(xiàn)y為最大彈性力，即設(shè)計水平力；Fu為最大屈服力，即水平極限承載力；d1為最大彈性位移；d2為最大屈服位移，即設(shè)計位移；Ku為彈性剛度，Ku=Fy/d1；Kd為屈服后的剛度；Kd/Ku為屈后剛度比。本文算例一孔梁選取16根短剛臂鋼棒阻尼器構(gòu)成4組阻尼裝置。

圖5 有限元分析模型

圖6 阻尼裝置雙線性恢復力模型

3.3.2 地震動輸入

結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)不但與結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，還與輸入的地震波密切相關(guān)。本文根據(jù)GB 50111—2006《鐵路工程抗震規(guī)范》給出的動力放大系數(shù)曲線，采用三角級數(shù)法作為擬合方法，編制了人工地震波模擬程序[8-11]，隨機模擬的人工地震波時程及動力放大計算系數(shù)與規(guī)范給定的動力放大目標系數(shù)對比見圖7。

圖7 人工地震波時程及計算系數(shù)與目標系數(shù)對比

3.4 計算結(jié)果

3.4.1 設(shè)計地震

分析時考慮2種工況：工況1為傳統(tǒng)支撐體系，梁體與橋墩之間采用球型支座連接；工況2為新型支撐體系，梁體與橋墩之間通過阻尼裝置與多向活動支座共同連接。隨機模擬3條符合規(guī)范要求的設(shè)計地震波(0.3g)作為地震動輸入。表2—表5分別為2種工況下3條設(shè)計地震波激勵下1#墩、2#墩墩底受力情況及其平均減震率。減震率=(工況1墩底剪力平均值-工況2墩底剪力平均值)/工況1墩底剪力平均值。

3.4.2 罕遇地震

以3.4.1節(jié)工況2的新型支撐體系為評估對象，隨機模擬3條符合規(guī)范要求的罕遇地震波(0.57g)作為地震動輸入。

圖8—圖10分別為3種罕遇地震波激勵下梁端典型1組(4根)阻尼裝置的滯回曲線?？芍?種地震波激勵下阻尼裝置均充分進入塑性變形階段，滯回曲線飽滿，且阻尼裝置的最大位移依然處于設(shè)計位移內(nèi)，遠小于極限位移。

表2 地震作用下各工況墩底縱向剪力

表3 地震作用各工況墩底橫向剪力

表4 地震作用下各工況墩底縱向彎矩

表5 地震作用下各工況墩底橫向彎矩

圖8 罕遇地震波1作用下阻尼裝置滯回曲線

圖9 罕遇地震波2作用下阻尼裝置滯回曲線

圖10 罕遇地震波3作用下阻尼裝置滯回曲線

4 結(jié)論

本文選擇跨度40 m高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋為研究對象，并建立有限元模型進行計算分析，得到如下結(jié)論：

1)設(shè)計地震作用下，新型支撐體系可顯著改善橋墩受力，本文算例中墩底彎矩和墩底剪力的減震率均在77%以上。

2)罕遇地震作用下，新型支撐體系可起到防落梁作用，本文算例中阻尼裝置在罕遇地震作用下最大位移小于其極限位移，可充分保證地震時梁體的安全。

3)在選擇合適的阻尼材料，并經(jīng)過合理的剛度設(shè)計后，新型支撐體系在地震發(fā)生時可提供較大的塑性變形以發(fā)揮耗能減震作用，從而有效地提高了簡支箱梁橋結(jié)構(gòu)的抗震能力。