速度鎖定型減隔震支座設(shè)計(jì)與性能分析

顧海龍，王 勇

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000)

長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋是鐵路橋梁中常見的結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于固定墩的設(shè)計(jì)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，上部梁體在縱橋向產(chǎn)生的地震力作用于一個(gè)固定墩上，為使固定墩能夠滿足相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，需將固定墩的尺寸加大，導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)難度增加。因此，需要降低固定墩所受縱橋向地震力。一種常見的做法是在活動(dòng)墩的縱橋向設(shè)置速度鎖定器[1]。地震發(fā)生時(shí)，速度鎖定器固定活動(dòng)墩梁墩的相對(duì)位移，使得各活動(dòng)墩的受力形式與固定墩相同，并與固定墩一起分擔(dān)縱橋向地震力[2]。采用該方案的橋梁有津秦客運(yùn)專線(60+100+100+60)m大跨度連續(xù)梁橋[3]、成灌線大跨度連續(xù)梁橋等[4]。該方法的缺點(diǎn)是：由于速度鎖定器將各活動(dòng)墩變成了固定墩，使得整個(gè)橋梁體系變?yōu)閯倶?gòu)體系，加大了整個(gè)橋梁體系所受的地震力。對(duì)于高震區(qū)橋梁，該方法同樣會(huì)使橋墩的設(shè)計(jì)產(chǎn)生困難。

目前速度鎖定器的設(shè)置方法有2種：①速度鎖定器設(shè)置于梁體與橋墩之間；②速度鎖定器與球型鋼支座組合成一體[5]，或是速度鎖定器與E型鋼阻尼支座組合成一體[6]。除了上述設(shè)置方法外，采用雙曲面球型減隔震支座[7-9]與速度鎖定器組合形成的新型支座能夠更好地解決大震工況下長(zhǎng)聯(lián)大跨橋梁的抗震問題。作用原理是：在小震時(shí)支座能夠使活動(dòng)墩變?yōu)楣潭ǘ眨⑴c固定墩一起分擔(dān)地震力；大震時(shí)各墩支座均能起到減隔震作用，震后支座可復(fù)位。

本文以成都—昆明鐵路成都至峨眉段擴(kuò)能改造工程中新青衣江特大橋?yàn)槔捎盟俣孺i定型雙曲面球型減隔震支座抗震措施，進(jìn)行不同地震工況下的抗震計(jì)算分析，對(duì)比橋梁減隔震效果。通過抗震計(jì)算獲取支座各項(xiàng)減隔震參數(shù)，完成支座樣品制造，進(jìn)而開展減隔震性能試驗(yàn)研究，驗(yàn)證支座設(shè)計(jì)性能。

1 橋梁概況

成都—昆明鐵路成都至峨眉段擴(kuò)能改造工程新青衣江特大橋?yàn)榱邕B續(xù)梁橋(40+4×64+40)m，橋址設(shè)計(jì)基本水平地震加速度峰值為0.1g，抗震設(shè)防烈度7度，場(chǎng)地特征周期0.45 s。該橋中間墩(39#)為固定墩，其他墩(36#,37#,38#,40#,41#,42#)均為活動(dòng)墩。大橋梁跨布置如圖1所示。

圖1 大橋梁跨布置示意

2 橋梁減隔震設(shè)計(jì)

為避免固定墩及固定支座承受較大的作用力，該橋采用減隔震裝置功能，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

1)橫橋向：支座橫向始終硬抗，即支座限位裝置在地震力發(fā)生時(shí)不發(fā)生破壞。

2)縱橋向：小震時(shí)速度鎖定器鎖定支座平面滑移功能，各主墩縱向活動(dòng)支座的功能變?yōu)楣潭ㄖё?，橋梁體系近似于剛構(gòu)橋，則地震力分配至各主墩共同承受，以減小固定墩地震力。大震時(shí)速度鎖定器將支座平面摩擦副“鎖死”，通過速度鎖定器傳遞的水平力將支座縱向限位裝置約束解除，各主墩支座均成為縱向活動(dòng)型的雙曲面球型減隔震支座，延長(zhǎng)了橋梁縱橋向的振動(dòng)周期，并通過摩擦耗能消耗輸入的地震能量，發(fā)揮減隔震作用。地震后，支座的自復(fù)位功能使橋梁回復(fù)到原位置附近。

3 支座基本設(shè)計(jì)參數(shù)

橋梁邊墩采用常規(guī)球型支座，其余主墩采用速度鎖定型雙曲面球型減隔震支座。設(shè)計(jì)方案針對(duì)主墩支座進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。支座基本設(shè)計(jì)參數(shù)包括：設(shè)計(jì)豎向承載力 15 000 kN，橫橋向承載力 2 250 kN；支座結(jié)構(gòu)形式為固定(GD)和縱向活動(dòng)(ZX)；支座正常位移(非地震情況下)為±100 mm和±150 mm兩種；設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角為0.02 rad。

4 支座特殊設(shè)計(jì)參數(shù)

通過抗震分析確定支座其余設(shè)計(jì)參數(shù)，包括縱向極限承載力、震后位移、等效曲面半徑、滑動(dòng)摩擦因數(shù)及速度鎖定力。

4.1 抗震分析方案

1)支座采用常規(guī)支座布置方案，即固定墩設(shè)置固定支座，其余墩設(shè)置縱向活動(dòng)支座，計(jì)算罕遇地震工況下支座及橋墩的縱橋向地震響應(yīng)。

2)地震工況采用0.7倍設(shè)計(jì)地震水準(zhǔn)?；顒?dòng)墩支座增設(shè)黏彈性消能器模擬速度鎖定器，使其與平面摩擦副并聯(lián)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定限位裝置及速度設(shè)計(jì)器相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3)設(shè)置合適的滑動(dòng)摩擦因數(shù)和等效曲面半徑，計(jì)算罕遇地震工況下縱橋向地震響應(yīng)，確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

4.2 有限元模型

采用MIDAS建立有限元模型，采用黏滯阻尼器一般連接單元模擬速度鎖定器[10]。支座平面布置如圖2所示。

圖2 支座平面布置示意

4.3 計(jì)算分析結(jié)果

4.3.1 普通支座抗震分析

支座采用普通支座，罕遇地震作用下縱橋向地震內(nèi)力響應(yīng)見表1，結(jié)果顯示固定墩內(nèi)力響應(yīng)最大。

表1 罕遇地震作用下縱橋向地震內(nèi)力響應(yīng)

4.3.2 地震工況為小震

此工況計(jì)算的目的是確定支座限位裝置水平極限承載力和速度鎖定器鎖定力。

支座限位裝置水平極限承載力的取值與橋梁的抗震設(shè)防水準(zhǔn)相關(guān)。根據(jù)橋墩和基礎(chǔ)的抗力，擬采用0.7倍設(shè)計(jì)地震水準(zhǔn)時(shí)支座的水平反力作為雙曲面球型減隔震支座的水平極限承載力，即當(dāng)橋梁承受大于0.7倍設(shè)計(jì)地震水準(zhǔn)的地震時(shí)，支座的限位裝置解除約束，發(fā)揮減隔震支座作用。速度鎖定器受力計(jì)算結(jié)果見表2，結(jié)果顯示活動(dòng)墩與固定墩共同分擔(dān)地震水平力。

表2 速度鎖定器受力計(jì)算結(jié)果 kN

支座水平極限承載力和速度鎖定力見表3。為了保證經(jīng)速度鎖定器傳遞給限位裝置的地震力能夠解除限位裝置約束，將速度鎖定器的最大鎖定力與限位裝置縱橋向水平極限承載力的比值設(shè)置為1.40～1.50。

表3 支座水平極限承載力和速度鎖定力

注：F1為限位裝置縱橋向水平極限承載力，kN；F2為速度鎖定器的鎖定力，kN；K為限位裝置縱橋向水平極限承載力與速度鎖定力的比值；1個(gè)支座共包括2個(gè)速度鎖定器。

4.3.3 地震工況為大震

按減隔震支座滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.03，等效曲面半徑為4.2 m進(jìn)行縱橋向罕遇地震分析。罕遇地震下縱橋向地震內(nèi)力響應(yīng)見表4。罕遇地震下支座震后位移見表5。

表4 罕遇地震下縱橋向地震內(nèi)力響應(yīng)

采用減隔震率來表示減隔震裝置(速度鎖定器+雙曲面球型減隔震支座)的減隔震效果，減隔震率=(普通支座內(nèi)力-減隔震裝置內(nèi)力)×100%/普通支座內(nèi)力；減隔震效果見表6。可知，采用速度鎖定型減隔

表5 罕遇地震支座震后位移

震支座后，固定墩減隔震效果顯著，減隔震率可達(dá)85%以上，明顯減小了縱橋向固定墩地震內(nèi)力響應(yīng)，表明采用速度鎖定器+雙曲面球型減隔震支座方案替換原普通支座方案效果良好。

4.3.4 支座設(shè)計(jì)參數(shù)

綜合正常參數(shù)和減隔震參數(shù)，速度鎖定型雙曲面球型減隔震支座設(shè)計(jì)參數(shù)見表7。

表6 減隔震效果

表7 速度鎖定型雙曲面球型減隔震支座設(shè)計(jì)參數(shù)

注：每臺(tái)速度鎖定型雙曲面球型減隔震支座配2臺(tái)速度鎖定器；橫橋向水平承載力為硬抗式承載力。

1-底座板；2-下座板；3-中座板；4-上座板；5-速度鎖定器圖3 速度鎖定型減隔震支座結(jié)構(gòu)

5 支座結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

5.1 支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

速度鎖定型減隔震支座結(jié)構(gòu)如圖3所示。減隔震支座關(guān)鍵零件包括球面四氟滑板、球面不銹鋼滑板、限位裝置、平面不銹鋼滑板、平面四氟滑板。速度鎖定器關(guān)鍵零件包括硅膠泥、密封件、活塞桿、缸體、端蓋。

5.2 支座功能設(shè)計(jì)

5.2.1 正常運(yùn)營狀態(tài)

支座在正常運(yùn)營下，豎向荷載、溫度位移及轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)途徑如下：

1)豎向荷載。支座所承受的豎向載荷經(jīng)上座板、上球面摩擦副、中座板、下球面摩擦副、下座板、平面摩擦副和底座板，最終傳遞至墩臺(tái)墊石。

2)溫度位移。支座底座板上表面的不銹鋼滑板與支座下座板的四氟滑板組成平面摩擦副，支座縱橋向溫度位移由平面摩擦副實(shí)現(xiàn)。正常溫度升高和溫度下降時(shí)滑移速度很小。速度鎖定器不鎖定，隨著平面摩擦副一起運(yùn)動(dòng)。速度鎖定器產(chǎn)生的阻力通常小于其設(shè)計(jì)值的10%，故速度鎖定器不會(huì)影響支座正常溫度位移。

3)支座轉(zhuǎn)角。支座的轉(zhuǎn)角由雙球面不銹鋼滑板與雙球面四氟滑板組成的球面摩擦副的相對(duì)滑移來實(shí)現(xiàn)。

5.2.2 小震地震狀態(tài)(小于0.7倍設(shè)計(jì)地震水準(zhǔn))

縱向地震發(fā)生時(shí)，支座平面摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度超過速度鎖定器的鎖定速度，因此速度鎖定器將支座平面摩擦副“鎖死”，縱向活動(dòng)支座與固定支座一起承擔(dān)縱橋向地震力。

5.2.3 大震地震狀態(tài)(大于0.7倍設(shè)計(jì)地震水準(zhǔn))

縱向地震發(fā)生時(shí)，支座平面摩擦副由于速度鎖定器的作用而固結(jié)，縱向限位裝置所受水平力超出其極限承載力，縱向限位裝置解除約束。通過雙球面不銹鋼滑板與雙球面四氟滑板組成的球面摩擦副的相對(duì)滑移來實(shí)現(xiàn)地震位移。支座以設(shè)計(jì)的摩擦因數(shù)和等效曲面半徑進(jìn)行滑移，從而延長(zhǎng)橋梁振動(dòng)周期，降低動(dòng)力加速度，降低橋梁受到的地震力。支座滑移過程中動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，通過支座摩擦副摩擦耗能逐漸消耗地震能量，支座往復(fù)滑移位移隨之減小。支座上部梁體自重形成回復(fù)力，使支座最終停留在初始位置附近。

6 支座檢測(cè)

6.1 檢測(cè)方案

6.1.1 豎向壓縮變形

支座的豎向承載能力測(cè)試按GB/T 17955—2009《橋梁球型支座》[11]規(guī)定執(zhí)行。支座在設(shè)計(jì)載荷作用下，其豎向壓縮變形應(yīng)小于支座總高的1%。

6.1.2 水平滯回性能

支座的水平滯回性能試驗(yàn)按JT/T 927—2014《橋梁雙曲面球型減隔震支座》[12]規(guī)定執(zhí)行。滑移剛度=豎向承載力/等效半徑，試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值的偏差應(yīng)小于10%，摩擦因數(shù)為0.03～0.04。

6.2 檢測(cè)結(jié)果

速度鎖定型減隔震支座試驗(yàn)見圖4。支座型式試驗(yàn)結(jié)果見表8。可知，支座檢測(cè)結(jié)果合格。

圖4 速度鎖定型減隔震支座試驗(yàn)

表8 KZQZ-LUB15000/1000-ZX-e150支座型式試驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)論

成都—昆明鐵路成都至峨眉段擴(kuò)能改造工程新青衣江特大橋采用了速度鎖定型減隔震支座抗震措施，對(duì)不同地震工況下的抗震進(jìn)行計(jì)算分析和支座樣品性能試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

1)小震時(shí)活動(dòng)墩支座與固定墩支座共同承擔(dān)地震力，有效解決了固定墩受力大和設(shè)計(jì)困難問題。

2)大震時(shí)全部主墩上的支座共同實(shí)現(xiàn)橋梁減隔震作用，罕遇地震下橋梁縱向震后位移較小，固定墩減隔震率可達(dá)85%以上，橋梁減隔震效果顯著。

3)支座型式試驗(yàn)顯示，支座滑動(dòng)摩擦系數(shù)和屈后滑移剛度滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證支座良好性能。