姜金斌，王軍澤

（杭州市市政工程集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 3100030）

常見橋梁減震設(shè)計(jì)可總結(jié)為兩類：一是減隔震支座，行業(yè)內(nèi)較為普遍的有鉛芯橡膠制作等；二是增設(shè)能量耗散裝置，主要置于梁體與墩臺(tái)連接區(qū)域，應(yīng)用較為廣泛的有各類型效能阻尼器，其中以金屬阻尼器效果最為優(yōu)良，其高度塑性變形特性可大幅度消耗地震輸入能量，使用到的軟鋼材料當(dāng)達(dá)到塑性狀態(tài)后，表現(xiàn)出明顯滯回特性，總體來說減震效果良好。

1 減震榫-滑動(dòng)支座系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本次研究中，重點(diǎn)圍繞減震榫展開探討，可理解為是鋼棒阻尼器，基于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，可保障塑性耗能效果，大幅提升材料利用水平[1]。充分利用主梁連接套筒，將指定的減震榫端頭部分置入其中；基于M32 高強(qiáng)螺栓與橋墩的穩(wěn)固連接，進(jìn)一步與滑動(dòng)支座構(gòu)成整體[2]，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 減震榫-滑動(dòng)支座系統(tǒng)

2 常時(shí)荷載對(duì)于減震榫的剛度要求

處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，為滿足列車舒適度要求，必須確保橋墩縱向線剛度的穩(wěn)固性，與減震榫的組合剛度為K＝KdKs/（Kd+Ks），其Kd 與Ks 為橋墩與減震榫各自的線剛度值。需嚴(yán)格控制減震榫線剛度，以橋墩縱向剛度的4 ～5 倍可行，便可帶來優(yōu)良的應(yīng)用效果，此時(shí)橋墩線剛度降幅可穩(wěn)定在20%以下。關(guān)于本次研究的32m 跨橋梁結(jié)構(gòu)，得知其墩頂縱向線剛度達(dá)到400kN/cm，以此為基準(zhǔn)展開仿真分析，得知使用的減震榫時(shí)剛度需達(dá)到2000kN/cm，這是滿足要求的基本條件。

3 減震榫基于性能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

遇到地震災(zāi)害時(shí)，要求減震榫優(yōu)先達(dá)到塑性狀態(tài)，且具備靈活變形能力，為達(dá)到此要求，需確定合適鋼材并提升設(shè)計(jì)精度。對(duì)此，以軟鋼材料為宜，充分考慮工作應(yīng)變范圍，以確保材料在安全區(qū)間內(nèi)的應(yīng)用效果。

4 減震榫-減震性能分析

4.1 分析模型

文章探討的是32m 跨箱梁結(jié)構(gòu)，其下部設(shè)置為實(shí)體橋墩形式，基于C35 混凝土現(xiàn)澆而得。假定橋臺(tái)為剛性，且各橋墩與地面均達(dá)到剛性連接狀態(tài)，進(jìn)一步得到橋梁分析模型，如圖2 所示。

圖2 4×32m 簡(jiǎn)支梁橋分析模型

梁體與各個(gè)墩、臺(tái)之間有多種連接形式，此處重點(diǎn)考慮兩種工況，即盆式支座連接與減震榫-滑動(dòng)支座系統(tǒng)。通過對(duì)前文的分析，可知第二種方案中單孔量共使用到16 根減震榫，均勻分布在兩側(cè)梁端。

基于ANSYS 軟件，可創(chuàng)建出本項(xiàng)目的全橋空間分析模型，利用Beam188 可完成對(duì)梁體與橋墩的模擬作業(yè)，考慮到盆式支座的實(shí)際應(yīng)用特性，形成了Combin14 彈簧單元，此方式可有效模擬支座位移情況；而在第二種方案中，則創(chuàng)建了Combin40 非線性彈簧單位，可實(shí)現(xiàn)對(duì)減震榫力學(xué)狀況的有效模擬。

4.2 減震性能分析

基于減震榫-滑動(dòng)支座系統(tǒng)，原本橋梁上、下兩部分結(jié)構(gòu)的連接方式將發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)于橋梁動(dòng)力特性自然也有所改變。分析橋自振周期，可知工況1 與工況2對(duì)應(yīng)的是0.2033s、0.4079s。顯然，工況2 所選取的方式大幅延長(zhǎng)自振周期。

參考現(xiàn)行抗震規(guī)范，可知減隔震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的使用條件——建筑場(chǎng)地需滿足Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。為探尋各場(chǎng)景下減震榫-滑動(dòng)支座系統(tǒng)的運(yùn)行效果，此處針對(duì)性選取了三者的地震波，如表1 所示。

表1 輸入地震波列表

考慮到地震峰值加速度的差異性問題，同時(shí)耗能體系雖然具備減震效果但更加適用于大震環(huán)境下，所以此處對(duì)峰值加速度做出了改進(jìn)，將其設(shè)為400cm/s2，如表2 所示。

表2 Taft 波作用下各墩順橋向地震響應(yīng)峰值

基于上述內(nèi)容得知：參照工況1，若處于工況2 環(huán)境下，無論是墩底剪力與彎矩，或是墩頂位移情況，三者都出現(xiàn)明顯減小趨勢(shì)，盡管頻譜特性存在差異，對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的作用程度也不盡相同，但總體來說減震率均達(dá)到50%，效果最好時(shí)可達(dá)到85%，因此減震效果優(yōu)良。支座滯回曲線總體上較為飽滿，地震環(huán)境中呈非對(duì)稱性，對(duì)應(yīng)于滯回曲線中也表現(xiàn)出不對(duì)稱的特性。相較非減隔震橋梁，設(shè)置為支座形式后位移明顯提升，最高值達(dá)到了60mm，但在工程許可范圍內(nèi)。

4.3 減震榫三級(jí)性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

遵循減震榫設(shè)計(jì)規(guī)范，以此為指導(dǎo)對(duì)減震榫-滑動(dòng)支座系統(tǒng)做出合理的參數(shù)設(shè)置，此舉能夠顯著提升減震榫的應(yīng)用效果，使其在各地震環(huán)境中具有適用性。對(duì)此，此處圍繞Taft 波展開分析，假定其峰值加速度分別有0.1g、0.3g 與0.6g 三種情況，即對(duì)應(yīng)的是小、中、大三種程度地震，建立在工況2 環(huán)境中，對(duì)各地震水平作用下的實(shí)際情況展開探討。得知系統(tǒng)的極限彈性位移達(dá)到5.46mm，同時(shí)極限屈服位移達(dá)到56.27mm，考慮到減震榫最大應(yīng)變?chǔ)舖ax狀態(tài)下，兩者分別對(duì)應(yīng)為E 點(diǎn)（0.11%）和Y 點(diǎn)（1.55%）。在實(shí)際環(huán)境中，梁體水平位移偏大時(shí)極容易引發(fā)梁體碰撞現(xiàn)象，考慮到此問題，對(duì)減震榫水平極限位移做出了改進(jìn)，將其限定為150mm，進(jìn)一步得知εmax為4.13%，明顯在M 點(diǎn)8.44%以內(nèi)。

（1）在小震時(shí)，發(fā)現(xiàn)減震榫出現(xiàn)了屈服問題，雖然塑性變形但幅度較小，此時(shí)最大拉應(yīng)變達(dá)到0.31%，總體來說位移微弱，沒必要采取修復(fù)措施；

（2）在中震中，發(fā)現(xiàn)減震榫進(jìn)一步加大了塑性變形，此時(shí)最大拉應(yīng)力提升到了0.86%，但總體上位移依然較小，僅經(jīng)過輕微修復(fù)即可達(dá)到要求；

（3）在大震時(shí)，整體狀況發(fā)生了明顯變化，此時(shí)減震榫最大拉應(yīng)變上升到了2.02%，處于強(qiáng)化階段，整體位移雖然有所加大，但依然穩(wěn)定在極限位移之內(nèi)，即＜150mm，總體來說穩(wěn)定性較好。

基于上述三種情況的分析，得知減震榫變形滿足既定要求，具備多級(jí)性能指標(biāo)，

4.4 墩高對(duì)減震效果的影響

為探討各墩高狀態(tài)下所帶來的實(shí)際減震效果，此處共設(shè)置了5 類圓端實(shí)體墩，分別為4m、8m、12m、16m、18m，除此之外的任何橋梁模型參數(shù)都一致，并采取Taft 波激勵(lì)措施，如圖3 所示。

圖3 減震率隨墩高的變化曲線

基于上述內(nèi)容得知，諸多因素均會(huì)對(duì)減震榫減震效果帶來影響，但作用最為明顯的當(dāng)屬墩高。若該值在12m 以內(nèi)，伴隨著墩高的增加，產(chǎn)生的減震率將呈持續(xù)上升特性；若墩高正好處于12m，此時(shí)減震榫的運(yùn)行狀況最佳，減震效果最好，減震率超過85%；此后，若墩高再次增加，帶來的減震效果將出現(xiàn)下降趨勢(shì)，降幅達(dá)到30%。

呈現(xiàn)上述規(guī)律的主要原因在于：當(dāng)墩高處于較小狀態(tài)時(shí)，橋梁剛度較大，且具有更短自振周期，產(chǎn)生的梁體位移量得到有效控制，減震榫無法完全達(dá)到塑性階段，因此消耗地震能量的效果相對(duì)有限；若適當(dāng)加大墩高，橋梁整體呈現(xiàn)出更“柔”的特性，位移進(jìn)一步加大，此時(shí)減震榫耗能狀況優(yōu)良；同時(shí)，如果墩高超出特定范圍，橋梁自振周期相對(duì)更長(zhǎng)，此時(shí)會(huì)進(jìn)一步抑制減震榫動(dòng)力特性，原本優(yōu)良的減震效果也會(huì)進(jìn)一步下降?？傮w上，為滿足橋梁安全運(yùn)行環(huán)境，需針對(duì)減震榫做出單獨(dú)參數(shù)設(shè)置，以保障最佳減震效果。

5 結(jié)束語

減震榫-滑動(dòng)支座系統(tǒng)，明顯延長(zhǎng)了橋梁自振周期，經(jīng)模擬分析得知，墩底剪力與彎矩，或是墩頂位移都得到了控制，發(fā)揮出優(yōu)良減震效果。在各類因素中，墩高會(huì)直接作用于減震榫運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而表現(xiàn)在減震效果上。在其余條件不發(fā)生改變的前提下，當(dāng)橋墩高度增加時(shí)，墩底彎矩與剪力、墩頂位移各自的減震率均呈現(xiàn)先增后減的特性?；诖?，出于全面保障減震效果的目的，有必要對(duì)減震榫做出合理的參數(shù)設(shè)置。