低屈服点钢阻尼器在高速铁路简支梁桥中的应用研究

倪燕平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，陕西西安 710043)

1 高速铁路桥梁用低屈服点钢减震榫

为了满足列车高速运行的安全性和舒适度指标，高速铁路桥梁设计时，对于上部梁体到下部桥墩和基础都偏重于刚度的考虑。或者说，高速铁路桥梁沿用了传统铁路桥梁普遍采用的重力式桥墩，这种桥墩造价低，与我国当前的经济发展水平相当。

重力式桥墩由于桥梁的刚度大，基频高，地震力的数值较大，在罕遇地震条件下，为实现延性设计的目标，就必须采用钢筋混凝土桥墩，但由于桥墩截面尺寸大，即使采用最小配筋率，在罕遇地震作用下桥墩不可能进入塑性状态，在遭遇强烈地震时，就无法利用结构的延性来降低地震响应，可能发生基础先于墩身破坏的情况。为解决这一矛盾，铁路震规［1］规定重力式桥墩不进行罕遇地震检算。如果发生超出设计地震烈度的强烈地震，结构产生严重的损伤和破坏几乎是不可避免的。因此，在高速铁路桥梁抗震设计中引入减、隔震技术是解决高速铁路桥梁抗震问题的关键［2-4］。

针对占总桥长95%以上的高速铁路简支梁桥，开发了一种低屈服点钢阻尼器(钢减震榫)，减震榫设置于梁部结构和桥墩之间，其下端锚固于桥墩顶帽上，上端通过传力筒与梁体底面预埋的钢板连接，使其与梁体实现理想的铰接传力(受力状态与悬臂梁类似)，是弯曲型的低屈服点钢阻尼器。

该装置的特点在于引入了国际上先进的“支座功能分离”的设计理念［2］，即实现水平力传递和竖向力传递及转动功能分离，支座承担梁体竖向力支承及梁端的转角功能，而水平反力及水平位移则由减震榫支撑和控制。地震作用时，通过钢材良好的塑性变形能力实现自振周期的延长，并通过能量耗散来提高结构的阻尼比，从而大幅度降低桥墩及基础的地震作用;由于塑性变形集中于钢减震榫，而桥墩及基础仍处于弹性工作状态，因此大幅度提高了结构的抗震性能，从而真正实现了抗震的“三水准”，系统地解决了高速铁路桥梁刚度大，配筋率低，难以出现塑性铰的技术难题。

2 工程背景

为了分析钢减震榫的减震效果，选取了桥址位于8度地区2类场地的三座代表性高速铁路简支梁桥作为研究对象(墩高分别为8 m，16 m，30 m)，场地特征周期Tg=0.4 s，罕遇地震的动峰值加速度为0.38g。

桥梁上部结构采用通桥2008(2322A)系列32 m简支箱梁，恒载质量1 476 t。墩高8 m和16 m的桥墩采用通桥4301系列的圆端型实体墩(图1)，基础采用8根φ1.25 m的钻孔桩，梅花形布置，承台尺寸为7.2 m×12.0 m。墩高30 m的桥墩采用空心桥墩，其几何参数及构造如图2所示，基础采用9根φ1.25 m的钻孔桩，行列式布置，承台尺寸为9.2 m×9.2 m。承台厚度均为2.5 m。桩侧土的比例系数 m=10 000 kN/m4，经计算基础的柔度系数见表1。

图1 实体墩几何尺寸(单位:cm)

图2 空心墩几何尺寸(单位:cm)

表1 基础的柔度系数

3 减震榫的力学性能参数

减震榫为设置于梁部结构和桥墩之间的低屈服点钢构件，其下端锚固于桥墩顶帽上，上端通过传力筒与梁体底面预埋的钢板连接，使其与梁体实现理想的铰接传力。

为保证桥墩的正常使用功能，桥墩纵向线刚度不能因为与减、隔震装置组合而有明显削弱，因此铁路桥的减、隔震装置应具备较大的初始刚度。

基于以上考虑，当桥墩上设置减震榫时，在每个桥墩上设置8根减震榫，其线刚度达到2 640 kN/cm，对桥墩集成刚度的影响很小，其布置及基本构造如图3和图4所示。根据项目组在北京交通大学所做的减震榫力学性能试验［5］，低屈服点钢减震榫的滞回曲线特征值见表2。

图3 减震榫安装示意

图4 减震榫1∶1模型

表2 减震榫(Ⅰ型)滞回曲线特征值

4 计算模型及结果

计算模型采用空间杆系有限元模型，梁及桥墩均采用梁单元模拟;支座均为活动支座，只约束竖向变形，而水平位移由减震榫提供约束，其他自由度不约束。减震榫采用非线性单元，其材料特性采用图5的曲线模拟。计算分析时，首先假定减震榫的最大位移(见表3)，并根据位移从表2中选取减震榫的特征值，如果计算的最大位移与假定的最大位移不一致，则根据计算位移重新从表2中选取新的屈服荷载、屈后刚度，如此进行迭代计算，直至计算的最大位移与假定位移一致后输出计算结果。

图5 减震榫滞回特性等量线性化示意

表3 减震榫位移 m

研究中以《铁路工程抗震设计规范》［1］的反应谱曲线(动峰值加速度Ag=0.38g，场地特征周期Tg=0.4 s)为目标曲线合成了3条人工加速度时程波，加速度时程分析结果采用3条波地震作用下的最大值，限于篇幅给出了其中一条波的时程曲线(图6)。经计算，地震波输入方向为纵桥向时，设置抗震榫前后纵向地震力对比见表4，横向地震力对比见表5。设置抗震榫前后减震率对比见表6。限于篇幅只给出了墩高8 m时减震榫的滞回曲线(图7和图8)，可以看出减震榫具有良好的能量耗散能力。

图6 人工地震波

表4 设置抗震榫前后纵向地震力的对比

表5 设置抗震榫前后横向地震力的对比

表6 设置抗震榫前后的减震率

图7 墩高8 m的桥墩减震榫的滞回曲线(纵向)

图8 墩高8 m的桥墩减震榫的滞回曲线(横向)

5 结论

低屈服点钢减震榫结构简单、性能稳定、初始刚度大、地震时可提供足够的塑性变形，满足了铁路桥梁对减、隔震装置的使用要求。设置减震榫后，在纵向罕遇地震作用下，桥墩墩底弯矩可减小43% ～77%，承台底弯矩可减小为原来的52%～79%。在横向罕遇地震作用下，桥墩墩底弯矩可减小55% ～81%，承台底显。桥墩的自身刚度越大，减震榫的减震效果越明显，低矮桥墩的减震效果要明显优于高墩。通过设置减震榫有效地解决了铁路简支梁桥采用重力式桥墩无法进行罕遇地震设计的难题，显著提高了重力式桥墩的抗震性能，在高速铁路桥梁设计中有广泛的应用前景。

［1］中华人民共和国铁道部.GB 50111—2009 铁路工程抗震设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［2］李承根，高日.高速铁路桥梁减震技术研究［J］.中国工程科学，2009(11):81-86.

［3］陈浩，高日，李承根，等.减震榫减震性能试验研究［J］.低温建筑技术，2010(10):28-30.

［4］王威，吕西林，徐崇恩.低屈服点钢在结构振动与控制中的应用研究［J］.结构工程师，2007(6):83-88.

［5］中国铁道建筑总公司.高烈度地震区桥梁采用减隔震技术的设计和应用研究［R］.北京:中国铁道建筑总公司，2010.

［6］姜鹏，喻其炳，李川，等.高架桥支座安装双端质量减振元件的轨道减振性能分析［J］.铁道建筑，2012(8):18-21.