近斷層地震動(dòng)下的高速鐵路橋梁減震設(shè)計(jì)

1、第 35 卷 ， 第 6 期 2014年 11月中國(guó) 鐵 道 科 學(xué) CH I NA RAI LW AY S CI ENCE V0 1 ． 3 5No ． 6No v e mb e r ， 2 0 1 4文章編號(hào) ：1 0 0 1 — 4 6 3 2 ( 2 0 1 4 )0 6 — 0 0 3 4 — 0 7近 斷層地震 動(dòng)下的高速鐵 路橋梁減震設(shè)計(jì) 石 巖L，王 東升 ，孫 治國(guó)( 1 ．大連海事大學(xué) 道路與橋梁工程研 究所

2、 ， 遼寧 大連 1 1 6 0 2 6 ；2 ．遼 寧省公路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 遼 寧 大連 1 1 6 0 2 6 )摘 要 ：在 “ 功能分離 ”設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上 ，提 出減震榫 與拉索 限位器組 合的高速 鐵路橋 梁減震方 案 ，通過 減震榫 的屈服耗能作用減小橋梁的地 震響應(yīng) ， 通過 拉索 限位 器控制 減震榫 的過大變形 和 防落 梁 ，給出減震 榫和 拉索 限位器在多遇地震 、設(shè)計(jì)地震和罕遇地震 下的設(shè)計(jì) 準(zhǔn)則 和設(shè) 計(jì)方

3、法 。以 1 座 高速鐵路 連續(xù)梁橋 為例 ，研究 在具有 向前方 向性效應(yīng) 、滑沖效應(yīng)和無速度脈沖效 應(yīng) 的近斷層地 震動(dòng)下 ，采用 組合減震 方案橋 梁結(jié)構(gòu) 的抗 震性 能。結(jié)果表 明 ： 僅采用減震榫的橋梁在速度脈沖型近斷 層地震作 用下可 能因減震 榫變形過 大而不安 全 ；加設(shè)拉 索限位器后 ，能有效地控制減震榫的變 形及墩梁的相對(duì)位移 ， 起 到了較好 減震效果 ， 其減震率在 6 O以上 。關(guān)鍵詞 ：橋梁 ； 近 斷層地震

4、動(dòng) ；減震設(shè)計(jì) ；減震榫 ；拉索限位器 ；高速鐵路 中圖分類號(hào) ：U4 4 2 ~ 5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí) 碼 ：A d o i ：1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 — 4 6 3 2 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0我國(guó)高速鐵路運(yùn)行里程和建設(shè)規(guī)模 已居世界前 列 ，目前正逐步向西部省份延伸。我國(guó)西部山區(qū)新 構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈且斷層與斷裂帶發(fā)育廣泛 ，部分活動(dòng) 斷層可綿延數(shù)百乃至上千公里 ，具有較高的

5、地震危 險(xiǎn)性。高速鐵路線上橋梁占相 當(dāng)大的比重，在西部 其臨近或穿越活動(dòng)斷層將不可避免，同時(shí)還可能存 在未探明的隱伏活動(dòng)斷層 的影響 ，抗震問題 突出。1 9 9 9 年建設(shè) 的臺(tái)灣高速鐵路遭遇 了集集地震 ，隨 即臺(tái)灣交通部修訂了相關(guān)規(guī)范并提高了橋梁抗震設(shè) 計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ， 設(shè)計(jì)地震動(dòng)考慮了具有速度脈沖效應(yīng)的近 斷層地震動(dòng)。目前我 國(guó)高速鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)仍主 要依據(jù) 《 鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 》 。該規(guī)范在 2 0 0 9年進(jìn)行局部修訂時(shí)才

6、將高速鐵路橋梁抗震納人 ，尚缺少對(duì)近斷層地震動(dòng)的特殊考慮 。橋梁減隔震技術(shù)通過合適裝置延長(zhǎng)橋梁的結(jié)構(gòu) 周期和 ( 或)消耗地震能量實(shí)現(xiàn)降低橋梁地震響應(yīng) 的 目的。據(jù)統(tǒng)計(jì) ，至上世紀(jì)末 已有上百座減隔震橋 梁建成 ，多為采用鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座 的公路橋梁 。部分臨近發(fā)震斷層的橋梁也經(jīng)受了地 震考 驗(yàn) ，如 土 耳 其 的 B o l u高 架 橋l 1 ] 、冰 島 的 T h j o r s aR i v e r 橋[] 和

7、O s e y r a r 橋[ 引， 盡管它們?cè)馐?了一定程度的地震破壞 ，但在具有速度脈沖效應(yīng)的 收稿 1 3 期：基金項(xiàng) 目：作者簡(jiǎn)介：近斷層地震動(dòng)作用下仍具有較好的減震效果 ，若不 采用減震設(shè)計(jì)可能情況更為糟糕 。由于橡膠類隔震支座的橫向剛度較低 ，而高速 鐵路橋梁上部結(jié)構(gòu) 自重較大 ，且對(duì)支座及梁體的橫 向位移要求相對(duì)嚴(yán)格 ，故橡膠支座很難用于高速鐵 路橋梁的隔震 ，尚有諸多問題需要進(jìn)一步研究[ 4] 。1 3 本高速鐵路發(fā)展

8、較早且 1 3 本地震頻發(fā) ，其橋梁抗 震設(shè)計(jì)方法值得借鑒 ，特別是支座和限位系統(tǒng) “ 功 能分離”的設(shè)計(jì)理念。該設(shè)計(jì)理念認(rèn)為地震時(shí)支座 受力復(fù)雜 ，易于損壞，故要求支座僅滿足正常使用 下豎向承載及適應(yīng)梁體水平 、轉(zhuǎn)動(dòng)位移 ，而地震下 梁體水平位移由限位系統(tǒng)承受 ，包括各類鋼制剪力鍵 、沖擊鎖定裝置等。臺(tái)灣高速鐵路橋梁中也采用 了 “ 支座+限位剪力鍵”的支承體系¨ 7 ] 。目 前 “ 功 能分離”的支座設(shè)計(jì)理念已初步被我國(guó)

9、高速鐵路設(shè) 計(jì)人員接受 ，認(rèn)為是提 高橋梁抗震能力及 實(shí)現(xiàn)減 ( 隔)震的重要方法l 8 。。本文借鑒李 承根等提 出的鋼棒式減震榫裝置 ，針對(duì)高速鐵路橋梁在近斷層 地震動(dòng)下的高抗震需求問題，提出由減震榫與拉索 限位器構(gòu)成組合減震系統(tǒng) ，利用減震榫的屈服隔震 和滯 回耗能減小橋梁的地震響應(yīng) ，利用限位器控制 減震榫的變形和防止落梁破壞 。2 0 1 4 — 0 3 — 1 0 ；修訂 日期 ：2 0 1 4 — 0 9 — 2 8國(guó)家

10、自然科學(xué)基金資助項(xiàng) 目 ( 5 1 1 7 8 0 7 1 ) ；國(guó)家 “ 九七三 ”計(jì)劃項(xiàng) 目 ( 2 0 1 1 C B 0 1 3 6 0 5 ) ；教育部新世 紀(jì)優(yōu) 秀人才支持計(jì)劃 資助 項(xiàng) 目 ( N C E T - 1 2 — 0 7 5 1 ) ；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng) 目 ( 3 1 3 2 0 1 3 3 1 5 ，3 1 3 2 0 1 4 0 7 3 )石 巖 ( 1 9 8 5 一) ，男，甘肅通渭人 ，博

11、士研究 生。中 國(guó) 鐵 道 科 學(xué) 第 3 5 卷 的損傷和破壞也說明了減震系統(tǒng)應(yīng)提供足夠恢復(fù)力 的重 要性 E] 。高速鐵路橋梁對(duì)梁體位移的控制指標(biāo)比公路橋 梁要嚴(yán)格得多 ，采用減震榫 的高速鐵路橋梁 ，因減 震榫屈服后剛度較低 ，在罕遇地震下將難以有效控 制減震系統(tǒng)的位移 ( 即墩梁相對(duì)位移) ，特別是在 具有速度脈沖效應(yīng) 的近斷層地震動(dòng)作 用下更為致 命 ，現(xiàn)有研究和本文隨后 的分析都表明：相對(duì)遠(yuǎn)斷 層 ( 或近斷層無速度脈沖)

12、地震動(dòng) ，近斷層脈沖型 地震動(dòng)會(huì)顯著增大減震系統(tǒng)的位移 。為此 ，本文提 出減震榫和拉索限位器組合的減震系統(tǒng) ，以解決高 速鐵路橋梁在近斷層地震動(dòng)下的抗震 問題 。拉索限 位器的構(gòu)造及其力學(xué)模型如圖 4 所示 ，圖中 F ，d ，k和 分別為限位器 的恢復(fù)力、位移 、剛度和初 始 間隙 。( a ) 拉索 限位器 構(gòu)造 ( b ) 拉 索限位 器 力學(xué)模 型 圖 4 拉索限位器 構(gòu)造及其力學(xué)模 型1 ． 2 ． 1 設(shè) 計(jì)準(zhǔn) 則當(dāng)減震

13、榫達(dá)到或超過設(shè)計(jì)位移時(shí)，拉索限位器 開始工作，即拉索限位器 的間隙取值為減震榫 的設(shè) 計(jì)位移 ，目的是保護(hù)減震榫在罕遇地震下的位移不 超過設(shè)計(jì)極限位移 ，即提供控制墩梁相對(duì)位移的輔 助措施 ，力學(xué)上相當(dāng)于給減震榫提供了附加的屈服 后 剛度 。1 ． 2 ． 2 設(shè) 計(jì) 方 法 由設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可知拉索限位器發(fā)揮作用時(shí)減震榫 已經(jīng)處于屈服狀態(tài) ，橋墩亦有可能損傷，此時(shí)橋梁 結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)非常復(fù)雜。因此 ，拉索限位器的設(shè) 計(jì)需要通過非線性時(shí)程分析

14、及試算的方法確定 ，初 次試算的剛度取值建議借鑒 A A S H T O隔震指南 中關(guān)于減震裝置 恢復(fù)力的要求 ，即當(dāng)減震榫的變形從 限位器發(fā)揮作用到減震榫達(dá)到極限位移時(shí)，減震榫 與限位器的恢復(fù)力增量之和應(yīng)大于上部結(jié)構(gòu)重量的0 ． 0 2 5倍 。2 高速鐵路橋梁減震設(shè)計(jì)實(shí)例 以 1 座高速鐵路通用的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋 ( 4 0 +6 4 +4 0 )m為對(duì)象進(jìn)行減震設(shè)計(jì) ，該橋上部 結(jié)構(gòu)為變截面混凝土箱梁 ，下部結(jié)構(gòu)為流線型圓端

15、實(shí)體墩 ，墩高等參數(shù)如圖 5 所示 。橋址位 于Ⅷ度 區(qū)，設(shè)計(jì)地震加速度峰值為 0 ． 2 g ，罕遇地震加速 度峰值為 0 ． 3 8 g 。為考慮鄰跨影 響，在連續(xù)梁兩端 各設(shè) 1 孔標(biāo)準(zhǔn) 3 2m 簡(jiǎn)支箱梁，鄰跨的簡(jiǎn)支梁不采 用減震設(shè)計(jì) ，分別在 1和 6墩上設(shè)置固定支座。r —— 圖 5 橋 梁結(jié) 構(gòu)示 意圖 ( 單位 ： m )2 ． 1 減震榫設(shè)計(jì) 減震榫采用文獻(xiàn) F 1 0 ] 中建議 的結(jié)構(gòu)和參數(shù) ，具體如圖 1 所示

16、 。按照上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和方法進(jìn)行初 步減震設(shè)計(jì) 。1 )正常使用階段 橋上列車制動(dòng)力按列車豎 向靜活載的 1 0計(jì) 算 ，為 9 6 0k N；而滑動(dòng)支座 的摩擦力 ． 廠 一0 ． 0 2 ×6 60 0 0k N=13 2 0k N，即滑動(dòng)支座的摩擦力可抵 抗列車制動(dòng)力 。2 )多遇地震作用下 當(dāng)在 2和 5邊墩以及 3和 4中墩分別設(shè)置 7 和 9 根減震榫時(shí) ，依據(jù)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范并 采用減震榫彈性剛度 ，通過反應(yīng)譜

17、分析得到減震榫 的變形 為 4 ． 7m m，小于 6m m，減震榫 未屈服 ，滿足要求 。3 )設(shè)計(jì)地震作用下 取設(shè)計(jì) 目 標(biāo)位移下減震榫的等效剛度進(jìn)行反應(yīng) 譜分析，得 到減震 榫的變形為 2 6 ． 3m m，減震榫 變形未超過設(shè)計(jì) 目 標(biāo)位移 ，亦滿足要求。2 。 2 拉 索 限位 器設(shè)計(jì) 拉索限位器 的初始間隙采用減震榫的設(shè)計(jì)位移 ( 3 0m m) ， 運(yùn)用時(shí)程分析 ，采用試算的方法確定其 剛度 ；當(dāng)其剛度取 6 00 0 0