轨道交通高架连续梁减隔震适应性研究

摘要：在对宁溧城际轨道交通连续梁结构进行抗震专项分析中，针对桥墩尺度及景观要求，结合延性设计及能力保护设计理念，进行了采用减隔震支座的抗震适应性研究。分析未隔震和双曲面球型减隔震支座隔震条件下的罕遇地震响应，研究结果表明，各连续梁桥固定墩切向和径向双向、滑动墩径向隔震时，减震效果明显。降低了结构抗震设计的难度，减小了桥墩尺寸及桩基配筋。

关键词：轨道交通；高架桥梁；减隔震设计；延性设计；能力保护设计

1概述

我国的城市轨道交通桥梁设计、建设处速发展阶段，有关轨道交通抗震设计的思路方法也相应在新颁布的《地铁设计规范》及《轨道交通结构抗震设计规范》中进行了规定，考虑到轨道交通桥梁结构在荷载模式、变形要求等方面，既不同于国铁桥梁，也与公路桥梁有很大区别。因此，在进行抗震设计时，需要结合轨道交通桥梁的特点做好结构设计及抗震分析。尤其是设置单固定墩的连续梁结构，采用单纯依靠结构自身“抗”住地震力的设计思路，容易会出现地震力大一增强结构抵抗力一结构刚度增大一地震力进一步增大一需再次增强结构抵抗力的不利循环。因此，如何在满足基于性能的多级设防原则的基础上，能有效的控制桥墩及基础的体量，满足其桥梁的城市景观属性，是抗震设计中需要认真研究的问题，南京至高淳城际轨道禄口机场至溧水段工程为联系南京中心城区与禄口机场、溧水的市域快速轨道交通线路，宁溧城际线路全长约30.161km，其中高架线17.831km，其中跨越沿线道路主要采用主跨45m～100m不等的连续梁结构。

抗震设计时，连续梁由于纵桥向只有一个约束制动墩，在设计地震作用下该制动墩上的支座剪力计算值已经偏大，若考虑延性设计，根据规范要求，制动墩上的支座剪力设计值则应该满足罕遇地震作用，此时只有提高支座抗震等级。

（1-1）

-地震力作用下的支座水平力效应值。 -支座水平抗力值

此外该制动墩处的设计水平剪力及弯矩值也相应增加。若加大截面尺寸，或配筋，又将使得墩底塑性铰处的弯矩承载力增加，给作为能力保护构件进行设计的桩基础的设计带来困难。

因此，为了改善连续梁桥支座在地震作用下的受力状况，并改善下部结构桩基的抗震性能，设计时，研究采用减隔振装置来降低结构的地震响应，以下通过对减隔震在连续梁中的运用实例，阐述了减隔震支座的减震机理，并通过非线性时程分析证明了轨道交通减隔震体系的有效性与可靠性，并提出了直接用于指导生产的减隔震支座设计参数。

2减震机理

2.1 减隔震工作原理

目前国内使用较多的摩擦摆隔震支座主要是双曲面球形减隔震支座，支座构造图见图1-1所示：

摩擦摆隔震支座工作原理见图1-2所示：当地震作用低于铅销的抗剪强度时，摩擦摆隔震支座同普通的非隔震支座，结构按非隔震周期振动，一旦地震作用大于铅销的抗剪强度，结构的动力反应受隔震器控制，结构以摩擦摆隔震支座的周期振动。摩擦摆隔震支座的中间层滑块由高强抗压材料构成，滑块的圆弧形滑动面在下部结构发生地震位移的时候，由于上部结构的重力及底板滑动面的圆弧形设计，总能产生向心的回复力，同时在整个地震位移过程中滑块和滑动面之间通过摩擦耗散能量，从而达到减震的效果。

根据上盖板曲面（滑动球面）的形式，常采用两种支座形式：柱面支座和球面支座，柱面支座某单方向曲率为零，仅有摩擦耗能能力而无恢复力，而另一方向曲率不为零，具有恢复能力和摩擦能力，一般位于过渡或中间墩上。球面支座各个方向曲率半径相等且不为零，均具有恢复能力和摩擦能力，一般置于固定墩上。

2.1摩擦摆隔震支座的分析模型

图2-3为摩擦摆隔震支座的恢复力模型，由图6-5可知，摩擦摆隔震支座的水平力可表示成恢复力和摩擦力之和，当摆角θ很小时，可表示成如下形式：

在摩擦摆隔震支座的恢复力模型中，几个关键参数的物理意义为 ：

为初始刚度， 为摩擦摆的摆动刚度， 为屈服位移，H为两个球面的球心距，分别可用以下公式表示：

从等效刚度的计算公式来看：增大支座的球心距对于减小地震的内力响应效果较好，但支座的变位会相应增大；而增大支座的摩擦系数可有效地减小支座的位移，但地震内力响应会增大。

3结构分析模型及地震参数

3.1 结构分析模型建立

各类型桥梁结构的动力特性分析采用空间有限元程序MIDAS/CIVIL，建模时主梁、桥墩、承台均采用空间梁单元模拟，在承台底用六个弹簧刚度模拟群桩基础的刚度。各桥型结构有限元计算模型见图3-1～图3-3所示，考虑到结构计算的准确性，计算模型中将边跨两侧简支梁半跨重量作为质量加载到边墩上。以下为部分结构有限元模型：

3.2 地震动参数

根据本线的工程场地设计地震动参数专题报告，选取了3条50年2%的概率水平下的水平向加速度时程，图3-4给出了50年超越概率2%的概率水平下的水平向地表加速度时程的3条时程曲线。

3.3 罕遇地震作用下地震响应

如按常规支座进行计算，得到的各桥梁结构在罕遇地震作用时的固定墩内力如下：

可以看出，固定墩墩顶剪力和承台底弯矩均较大，采用相应地震等级的抗震支座已经无法满足承载力需求，需加大支座抗震等级。

3.4 罕遇地震作用下隔震分析

考虑到轨道交通高架桥若遭遇中小地震时摩擦摆式支座销栓剪断，会给支座的更换维护带来不便，因此各连续梁桥在中小地震作用下要求摩擦摆式支座的销栓未剪断（可通过控制摩擦摆式支座的限位装置-销栓的承载能力来实现）。在罕遇地震作用下，摩擦摆式支座的销栓剪断，摩擦摆式支座起隔震作用。以34.5+3x35m、45+70+45m连续梁为例，非线性时程计算分析结果如下所示。

（1）34.5+3x35m连续梁隔震分析结果

3.4 隔震效果分析

采用摩擦摆式隔震支座后，隔震效果见下表3.3与表3.4所示。

从表3.4、表3.5可以看出，设置摩擦摆式减隔震支座后，桥墩纵向弯矩减震率达80～90%左右，横向减震率可达60～80左右%，说明隔震支座减震效果优良。

采用减隔震支座后，再进一步验算结构在罕遇地震作用下，是否还能够处于弹性工作状态，对固定墩及基础强度验算结果见表3.6～表3.9。

经计算，上述结构各项应力指标均满足弹性设计要求，因此，采用减隔震支座后，在罕遇地震作用下，连续梁桥各固定墩以及桩基础构件应力值在纵桥向和横桥向均小于容许应力，桥墩结构在弹性范围内工作，满足抗震设计要求。

结 论

通过对宁溧城际连续梁桥在罕遇地震作用的地震反应分析，根据连续梁方案在地震作用下制动墩上的支座剪力难以满足设计要求的特点，提出了双曲面球型摩擦摆式支座的隔震设计方案；最后根据墩身截面以及桩基础单桩截面的配筋形式，以及地震响应分析结果，对结构在不同设防水准下的抗震性能进行了验算，根据验算结果得出如下结论：

（1） 罕遇地震作用下，采用常规抗震支座，连续梁固定墩纵桥向各约束桥墩控制截面的应力均大于容许应力，横桥向所有墩控制截面应力均大于容许应力，结构进入弹塑性工作阶段。桥墩按延性设计，桩基础按照能力保护设计原则进行，桩基础需加强配筋，并按混凝土及钢筋的标准强度进行验算，认为实际桩基础构件发生可修复损伤。

（2） 连续梁结构采用双曲面球型摩擦摆式减隔震支座后，桥墩及其桩基础等结构仍然处于弹性工作阶段，满足抗震设计要求。

综上所述，对于轨道交通连续梁结构，考虑到固定墩承受主要地震力的特点，为维持桥墩尺寸外观上的一致性，并保持结构体量上的轻盈，应用减隔震支座的桥梁减隔震体系可大幅减小地震力，并消除不确定因素对抗震设计的影响，从而提高结构的抗震安全性和设计的经济性。减隔震技术在轨道交通领域的成功应用，将为我国轨道交通抗震设计开辟一个新领域，进而提高轨道交通高架桥梁的抗震防灾能力。

参考文献：

[1].铁路工程抗震设计规范（GB 50111-2006 ，2009版）

[2].地铁设计规范（GB50157-2013）

[3].城市轨道交通结构抗震设计规范（GB 50909-2014）

[4].公路桥梁抗震设计细则（JTG/T B02-01-2008）

[5].杨丽辉，闫贵平 城市轨道交通桥梁抗震设计中的若干关键性问题，第三届全国防震减灾工程学术研讨会 2007年4月

[6].马坤全，陈文艳 轨道交通高架桥合理抗震参数及抗震措施研究.中国铁道科学，2001（4）；63～68