铁路高墩桥梁基底摇摆隔震设计方法

铁路高墩桥梁基底摇摆隔震设计方法

随着中国铁路事业向西部地区的发展，受地形限制，高架道路的建设受到限制，需要在高烈度地震区域建设大量的铁路高架桥。受高阶振型影响,强震作用下高墩可能会形成两个以上塑性铰,且其位置具有分散与不确定性。目前延性抗震设计主要适用于潜在塑性铰位置明确的桥梁。高墩延性设计十分困难,且按多个塑性铰设计墩柱延性抗震性能未必可靠。为提高铁路高墩桥梁抗震性能,减、隔震技术就成为高墩桥梁的必要抗震措施。桥梁常用减、隔震设计方法有墩顶支座与基底减、隔震设计两种。国内在中、低墩桥梁减、隔震技术方面研究较多,但有关高墩桥梁减、隔震研究较少,铁路高墩桥梁则更少。而关于高墩基底隔震目前国内鲜见报导。因此国内铁路高墩桥梁也仅有曲江大桥尝试性地使用双曲面减、隔震支座进行隔震。国际方面,新西兰于1981建成的SouthRangitikei铁路高架桥是利用基底摇摆隔震技术进行横桥向减、隔震的高墩桥梁。随着抗震技术不断进步、对抗震性能要求不断提高,确保震后桥梁结构完整性已是世界潮流所趋,因此避免桥梁结构在地震中损伤的基底隔震技术已成为研究热点。鉴于我国铁路高墩桥梁在墩顶支座减、隔震方面研究不足、基底摇摆隔震技术方面缺乏研究及铁路高墩桥梁抗震设计存在问题至今仍未得到较好解决。本文结合西南某新建铁路高墩桥梁,探讨铁路高墩桥梁基底摇摆隔震与墩顶支座减震设计方案减、隔震效果。1基底转动提离隔震设计思路扩大基础作为一种常见基础形式,被广泛用于基底土质较好的桥梁结构中,其抗震性能主要要求为地震作用与自重荷载共同作用下确保墩底抗滑移、抗倾覆稳定,特别是抗倾覆稳定。既有研究结果表明,扩大基础提离能减小墩底地震弯矩,有一定减震作用。震后调查也发现,由于地震中抗倾覆稳定能力不足的扩大基础失稳提离有明显减震效果,使大量扩大基础上的桥梁避免损伤。文献表明,高墩提离主要表现为转动提离(摇摆),隔震效果良好。本文提出利用高墩基底转动提离进行隔震的高墩桥梁抗震设计思想,即通过改进当前高墩桩基础设计,使高墩与基础分离。桥墩与桩基分离设计基于以下原则:正常行车、风荷载及多遇地震条件下,桥墩与基础分离面无相对位移,桥墩不发生提离转动;但在设计或罕遇地震条件下,桥墩相对于基础将发生转动提离。通过提离消耗地震输入能量,达到在地震中既能保护桥墩又能保护基础的抗震目标。高墩基底转动提离隔震装置见图1。桥墩在正常使用及多遇地震条件下抗倾覆稳定性可按岩石地基上扩大基础设计。基底转动提离隔震设计高墩有以下优点:(1)基底提离转动隔震桥梁在震后桥墩与基础基本无损伤,完整性较好,且可通过墩身自重及上部恒载重力平衡地震力,进行自复位;(2)基底提离隔震对常规高墩设计改动较小,容易实现,且不会由于抗震设计增加过多投资;(3)能够通过设置防倾覆钢铰线或钢筋限制墩顶位移,还可防止提离产生较大转角,致使桥墩倾覆;(4)高墩基底隔震对顺、横桥向均适用。2弹性特性分析基底隔震桥墩力学模型为:墩底有1个转动弹簧及墩顶有集中质量的悬臂梁结构,见图2。转动弹簧模拟桥墩与基础之间转动提离。桥墩相邻桥跨上部质量等效为墩顶集中质量。对变截面桥墩取单元中点处刚度作为整个单元刚度,单元质量堆积在相应节点上。高墩发生提离转动后,墩身弹性变形与转动刚体位移相比很小。若忽略墩身弹性变形,地震中高墩反应与刚体地震反应相同,分为黏着阶段与提离转动阶段。提离转动后墩底弯矩不再增加,因此基础转动隔震高墩桥梁系统实际表现为非线性弹性特性,计算中采用转动弹簧的非线性特性,见图3。弯矩-转角滞回曲线中提离弯矩My与极限转角θu可结合图4,按下式估算。My=F⋅H=(N+G)⋅B2(1)θu=B2H(2)Μy=F⋅Η=(Ν+G)⋅B2(1)θu=B2Η(2)式中:N为墩顶支反力;G为墩身自重;B为与墩身相同计算方向扩大基础宽度。3支护结构参数设计墩顶减震设计方案采用铅芯橡胶支座装置,计算时简化为双线性,其荷载-变形关系见图5。铅芯橡胶支座主要参数为:初始刚度Ku、屈服后刚度Kd和屈服力Fy。铅芯横截面积和有效变形高度是影响支座初始刚度的主要因素。橡胶层厚度及面积是影响屈服后刚度主要因素。屈服力由制动力大小决定。确定铅芯橡胶支座设计参数步骤:(1)为满足正常使用要求,支座参数应由实际支座构造尺寸计算得到;(2)确定正常使用时铅芯橡胶支座所承受最大竖向力和水平力;由竖向力确定铅芯橡胶支座有效受压面积;由水平力确定铅芯橡胶支座铅芯面积和直径;(3)综合考虑支座空间要求、支座直径及正常使用时伸缩量确定铅芯橡胶支座高度;(4)根据确定的铅芯橡胶支座构造尺寸计算支座初始刚度、屈服后刚度、屈服力。4结构体系及设计某单线铁路特大桥,位于直线上,旅客列车设计行车速度140km/h。上部结构采用32m简支箱形梁等跨布置,下部结构为圆端形空心高墩、桩基础,立面布置见图6。选取其中15#桥墩及18#桥墩为基底转动隔震与墩顶减震设计方案研究对象,隔震前18#顺桥向第1周期为0.95s。为考察减、隔震效果离散性,选择El-centro波、Taft波与Northridge波等3条强震记录作为输入地震动,并将其幅值统一调整为0.57gn。4.1地震波频率特性影响基底转动隔震设计方案的高墩地震反应分析结果见表1～表2及图7～图10。由表1～表2及图7～图8可以看出:高墩发生基底提离转动后,墩顶位移变化规律比较复杂。3条强震记录墩顶最大位移差异较大,在El-centro波下墩顶最大位移略有减小,Northridge波下墩顶最大位移增大了1倍多。这说明墩顶位移隔震效果受地震波频谱特性影响较大。从表1～表2可以看出,3条强震记录下墩底与承台底最大弯矩的隔震效果显著,El-centro波隔震率最大,Taft波与Northridge波隔震率接近,且桥墩越高墩底弯矩隔震效果越好。由图9可以看出,高墩基底转动提离隔震是间歇而非连续的,基底地震弯矩大于由重力提供的稳定弯矩时桥墩发生转动提离,提离后基底弯矩不再增大,当较大地震脉冲过后,靠上部所受竖向荷载及桥墩自重平衡地震作用自行复位。4.2el-centro地震动墩顶铅芯橡胶支座减震设计方案高墩地震反应分析结果见表3～表4,图11～图13。由表3～表4及图11～图12可以看出:铅芯橡胶支座对墩顶位移有一定减震效果,3条强震记录下最大位移减震效果差异较大。在El-centro地震动下效果最好,Northridge地震动下效果最差,且其减震效果受地震波频谱特性影响较大。由图13还可以看出铅芯橡胶支座在地震中产生约10cm剪切位移(与减震后墩顶位移相当),这是由于铅芯橡胶支座初始刚度、屈服力虽已满足正常使用要求,但仍相对较小。从表3～表4可以看出,3条强震记录下墩底与承台底弯矩也有一定减震效果,3条地震动下的减震效果离散性较大,且有桥墩越高离散性越大的趋势。3条地震波下墩底与承台底弯矩的减震率变化同墩顶位移的减震率变化一致。4.3基底隔震技术基底摇摆隔震方案与墩顶减震方案的墩顶位移及墩底弯矩时程曲线示于图14、图15。由图14、图15及表1～表4可以看出:基底隔震方案中墩顶位移明显大于墩顶减震的墩顶位移,这是由于铅芯橡胶支座的阻尼耗能减小了墩顶位移。由图15可知:墩顶减震方案与基底隔震方案中墩底弯矩时程曲线有很大差异。这是由于墩顶减震与基底隔震机理有所不同,前者是靠支座滑动与支座阻尼来吸收及消耗地震能量进行减震;而后者通过基底摇摆过滤较大的地震脉冲作用,进行隔震。由表1～表4及图7～图15可以看出,基底隔震方案与墩顶减震方案相比,地震中尽管前者墩顶位移大于后者,但前者墩顶位移主要是基底转动提离所致,可通过图1所示位移限位装置进行限制,不会影响减震效果。而后者尚有一定支座非弹性变形引起的墩梁相对位移,无法限制。对于墩底内力而言,基底转动提离隔震效果明显高于墩顶减震,且在地震动下离散性比墩顶减震小。此外,由于基底隔震设计方案中墩与基础在强震下分离,从桥墩传递到基础(承台底)地震作用也明显减小,故其既可保护桥墩,又可保护基础,这方面墩顶减震设计方案无法与之相比。除此之外,基底隔震技术对于高墩顺、横桥向均适用。综上所述,本文提出的基底隔震技术,使基础在强震下与桥墩分离,可从根本上减小地震动对高墩桥梁结构输入能量,隔震效果显著;能保证隔震后墩底最大地震弯矩与输入地震动无关,既可保护桥墩与又可保护基础;并适用于顺、横桥向。5高墩基底转动隔震的优点通过对铁路高墩桥梁基底转动隔震及墩顶支座减震对比研究,得到以下结论:(1)基底转动隔震及墩顶支座减震对减小墩底弯矩均有一定效果,基底转动隔震效果