高速铁路大跨连续梁-拱组合结构抗震性能研究

李 艳,王江波,牛远志,马 广

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

1 概述

伴随着我国国民经济的快速发展，我国高速铁路建设也取得了飞速的进步，随着设计、施工建造水平的大幅提高，大跨度高速铁路桥梁层出不穷，其中大跨连续梁-拱组合结构以其优美的造型、良好的受力体系备受青睐。高速铁路大跨度连续梁拱结构的特点是梁体自重大、桥墩刚度大，在高烈度震区固定墩设计困难，其在地震中的安全性需要深入研究，加之我国处于世界两大地震带之间，地震活动多而且剧烈[1-5]，因此研究地震作用下高速铁路大跨连续梁-拱组合结构抗震性能具有重要的工程应用价值。以一座跨度(110+228+110) m大跨连续梁拱组合结构为背景，进行了其抗震性能研究，显示出减隔震设计的有效性，为后续的类似工程提供参考设计。

(110+228+110) m大跨连续梁拱为盐通铁路盐城南特大桥的一部分，主桥采用3跨连续梁桥，主桥两侧边界联均接32 m简支梁，采用圆端形桥墩，墩高在10～16.5 m，基础采用桩基础，地质资料主要为粉质黏土和粉土，场地类别为Ⅲ类，全桥立面如图1所示。

图1 (110+228+110) m大跨连续梁拱全桥立面(单位：cm)

本长联连续梁拱位于高震区，固定墩墩底地震响应弯矩和剪力值非常大[6-8]，而此时强制要求固定墩及其基础满足强度要求是不经济的，采用延性抗震设计发生的损伤修复困难，采用常规桥梁支座无法满足抗震设防要求，因此拟针对结构进行特殊抗震设计，提供结构优化的空间。

针对本结构的特点，拟采用4种抗震体系进行对比：(1)采用普通支座体系，进行延性设计；(2)采用速度锁定器体系，纵桥向活动墩和联间墩分别设置速度锁定器，分担固定墩受力，横桥向仍是普通固定支座；(3)黏滞阻尼器体系，纵桥向全部采用滑动支座半漂浮体系，两个主墩设置黏滞阻尼器，横桥向仍是普通固定支座；(4)双曲面隔震支座体系，纵横向都采用双曲面球型减隔震支座进行减隔震设计。

2 地震动输入和有限元模型建立

2.1 地震动输入

该桥桥址处地震基本烈度为Ⅶ度，地震基本加速度为0.15g，场地类别为Ⅲ类[9-10]，详细安评结果如表1所示。

表1 盐城南特大桥地震安评场地地表

2.2 有限元模型建立

图2 (110+228+110) m连续梁拱桥有限元模型

大桥采用Midas Civil有限元计算分析程序，根据桥梁结构的总体构造布置，建立了结构动力特性和地震反应分析的三维有限元模型(图2)。其中，主梁、横梁和桥墩用梁单元模拟；桩基础采用等效的土弹簧单元模拟土-桩基础的相互作用；考虑地震作用下活动支座滑动摩擦效应和双曲面减隔震支座的非线性；考虑边界条件的影响，边界简支梁跨在大跨侧纵向全部为活动支座，考虑边界联简支梁跨的横向影响，将联间简支梁的自重、二期恒载以及活载转化为集中质量，施加于相应位置；三摩擦副双曲面球型减隔震支座通过采用摩擦摆单元和钩单元、间隙单元并联来模拟支座的平面摩擦副，采用曲面摩擦摆单元模拟支座的曲面摩擦副，两个摩擦副串联；在有限元模型中采用墩顶节点与其对应主梁节点主从约束来模拟速度锁定器装置的作用；黏滞阻尼器采用Midas有限元自带的阻尼器单元进行模拟。

3 抗震体系比选结果

针对第二部分的不同抗震比选方案进行了最控制工况的比选，见表2。从表2可以看出，最终选择纵、横向都比较适用性强的双曲面减隔震支座方案为推荐方案。

表2 不同抗震分析方案的比选结果

4 双曲面减隔震支座参数设计

目前，铁路桥梁双曲面减隔震支座已经在国内很多重大铁路工程中得到应用，如宝兰高铁、京沈高铁等项目。本桥双曲面减隔震支座的吨位达到160 000 kN，是目前国内最大吨位的铁路双曲面球型减隔震支座。

双曲面球型减隔震支座参数包括：竖向承载力、设计转角、正常位移、等效曲率半径、水平极限承载力及滑动摩擦系数，其中需要通过抗震分析确定的支座参数为等效曲率半径、水平极限承载力及滑动摩擦系数[11-18]。

水平极限承载力的取值与桥梁的抗震设计水准相关，根据桥墩和基础的抗力和剪力销更换频率，通过比选来选定剪断时刻。为了选出合理剪断时刻，进行了1.05倍、1.2倍、1.5倍下多遇地震剪断时刻下部基础的计算，考虑到下部基础的设计难度(多遇地震下弹性设计，罕遇地震下的基本弹性设计)和兼顾剪力销更换的频率，以及后期养护维修的成本，推荐水平极限承载力为1.05倍多遇地震的支座水平反力。

等效曲率半径及滑动摩擦系数的取值需通过抗震分析，既满足桥墩受力要求，又控制梁体与桥墩的相对位移不超出一定范围。

4.1 等效曲率半径

为了选择合适支座的等效曲率半径，进行了两种工况的分析计算，计算结果见表3。

从表3可以看出，支座等效曲率半径增大，地震位移增加。为了避免支座出现过大的地震位移，应该适当减小支座的等效曲率半径，同时支座曲率半径增大会带来支座平面尺寸和支座质量的增大，增加造价，工况2比工况1的支座质量增大15%。综合考虑，本项目采用工况1的等效半径取值方案：即竖向承载力为8 000 kN和160 000 kN的双曲面支座的曲率半径R分别为2.5 m和6.0 m。

表3 不同曲率半径的地震位移

4.2 摩擦系数

为了选择合适的摩擦系数，先后计算了摩擦系数为0.05，0.06，0.08的地震位移，计算结果见表4。

表4 不同摩擦系数下的地震位移

由表4可知，当摩擦系数较小时，地震位移较大，增大曲面摩擦副的摩擦系数可有效降低地震位移。本项目选用的双曲面减隔震支座摩擦系数取值为0.06。

4.3 减隔震效果分析

根据上述参数比选设计得出的减隔震支座参数，进行双曲面减隔震支座的减隔震效果分析，计算结果见表5。

减震率=1-双曲面减隔震支座响应值/非减隔震常规支座响应值

表5 双曲面球型减隔震支座减隔震效果分析

由表5可知，采用双曲面减隔震支座减隔震效果显著，剪力减隔震率为59.9%～86.7%，弯矩减隔震率为70.9%～88.6%，明显减小了纵桥向固定墩和横桥向各墩的地震内力响应，为优化设计提供了条件。

5 结论与建议

针对大跨连续梁拱组合结构在高烈度震区固定墩设计困难的问题，通过采用普通支座体系、速度锁定器体系、黏滞阻尼器体系、双曲面减隔震支座体系4种不同的抗震方案进行计算，结果表明，采用双曲面减隔震支座优势明显[19-20]。

通过双曲面减隔震支座参数设计，选取了合适的支座参数，大跨连续梁拱组合结构采用双曲面减隔震支座后，剪力减隔震率为59.9%～86.7%，弯矩减隔震率为70.9%～88.6%，明显减小了纵桥向固定墩和横桥向各墩的地震内力响应，为结构优化带来较大空间。需要注意的是采用双曲面减隔震支座后，支座滑动位移会变大，需要通过设置缓冲弹塑性挡块等抗震构造措施来防止碰撞破坏、落梁等地震灾害的发生。