高速鐵路橋梁減震榫設(shè)計(jì)研究

高速鐵路橋梁減震榫設(shè)計(jì)研究

1災(zāi)后鐵路橋梁發(fā)生的主要病害四川省的大地震是中國(guó)近30年來最嚴(yán)重的自然災(zāi)害。它的影響是廣泛的。地震區(qū)域內(nèi)的房屋、公共設(shè)施、道路和橋梁受損或破壞。很難估計(jì)直接和間接損失。據(jù)實(shí)測(cè)地震動(dòng)參數(shù)和烈度評(píng)估統(tǒng)計(jì)表明,汶川地震的影響烈度大都在7度以上(江油市震區(qū)實(shí)測(cè)烈度為7~9度,彭州市震區(qū)實(shí)測(cè)烈度為8~11度),動(dòng)峰值加速度也都高于規(guī)范數(shù)值。在抗震救災(zāi)過程中,進(jìn)入災(zāi)區(qū)的道路若能早一天搶通,都可能多挽救成百上千條生命,從中人們深刻地體會(huì)到了交通運(yùn)輸通道對(duì)搶險(xiǎn)救災(zāi)的重要性。因此,認(rèn)真反思以往在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的得失,進(jìn)一步提高基礎(chǔ)設(shè)施抵御自然災(zāi)害的能力已成為國(guó)人的共識(shí)。在這次汶川地震中,鐵路設(shè)施經(jīng)受了地震的考驗(yàn),相對(duì)損失較小,并在抗震搶險(xiǎn)過程中發(fā)揮了積極的作用和巨大貢獻(xiàn)。說明鐵路以往的設(shè)計(jì)理念及采用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是基本合理的,與我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是相一致的。但也暴露出一些問題,需要引起重視和解決,根據(jù)成都、西安、蘭州鐵路局汶川地震災(zāi)后的調(diào)查資料來看,鐵路橋梁出現(xiàn)的病害與破壞主要集中在兩個(gè)方面。1)支座破壞:主要破壞形式有支座螺栓被剪斷、拔出(見圖1、圖2),支座限位裝置破壞失去功能,鋼滾軸支座上、下盤錯(cuò)位等(見圖3、圖4)。2)橋墩臺(tái)損壞:主要形式有墩身出現(xiàn)貫通的環(huán)狀裂縫、墩身混凝土局部崩裂、橋墩側(cè)傾移位、橋臺(tái)移位等。鐵路橋梁以往均采用素混凝土的重力式橋墩結(jié)構(gòu),當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí),上部結(jié)構(gòu)的地震力全部由支座傳給橋墩,在巨大的地震力作用下,或者使橋墩受損開裂,或者使連接梁體與橋墩的薄弱環(huán)節(jié)支座發(fā)生破壞。但從另一角度看問題,支座破壞后梁體產(chǎn)生位移,釋放了地震力,避免橋墩遭到更大的破壞,可能反而是件好事。由于鐵路橋梁設(shè)計(jì)中一貫重視防落梁設(shè)施的設(shè)置,汶川地震鐵路橋梁幾乎未發(fā)生橋梁墜落的事件。但是,由于鐵路運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn),橋梁支座破壞后的修復(fù)與更換仍然十分困難,所以應(yīng)當(dāng)廣泛收集震害資料,深入總結(jié)和分析汶川地震鐵路橋梁震害的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),推進(jìn)鐵路橋梁設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法的發(fā)展。2多遇地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析我國(guó)正處于高速鐵路建設(shè)大發(fā)展的時(shí)期,在建和待建的高速鐵路總里程將達(dá)到上萬公里。為了充分貫徹節(jié)約土地的基本國(guó)策,加快鐵路建設(shè)速度以適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,在高速鐵路建設(shè)中大量采用了以橋代路,橋梁比例已達(dá)到線路總長(zhǎng)度的70%~80%,而其中絕大部分都是簡(jiǎn)支箱梁橋。因此,高速鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)研究解決簡(jiǎn)支箱梁橋所存在的問題。新頒布的鐵路抗震規(guī)范,提出了三水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)的原則,在多遇地震下,橋梁結(jié)構(gòu)按彈性理論設(shè)計(jì),不允許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的損傷和破壞。罕遇地震下,橋梁結(jié)構(gòu)按彈塑性理論設(shè)計(jì),引入延性設(shè)計(jì)方法,允許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可修復(fù)的損傷和破壞,但結(jié)構(gòu)物不得倒塌。從而使“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)原則在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系中得以體現(xiàn)。與舊規(guī)范相比,新規(guī)范較大幅度地提高了橋梁的抗震設(shè)防水準(zhǔn)。測(cè)算結(jié)果表明,普速鐵路橋梁在多遇地震下設(shè)計(jì)水平地震力一般要提高40%~120%。對(duì)于高速鐵路橋梁又進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)時(shí)重要性系數(shù)的取值。為了滿足高速列車運(yùn)行的安全性和舒適度指標(biāo),高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)時(shí),從上部梁體到下部橋墩、基礎(chǔ)都十分重視提高結(jié)構(gòu)的剛度。但從結(jié)構(gòu)抗震的角度來看,剛度大,基頻高,結(jié)構(gòu)相應(yīng)產(chǎn)生地震力就更大,尤其在以橋代路的低矮橋墩中更為突出,往往成為高地震烈度區(qū)控制橋梁設(shè)計(jì)和工程投資的主要因素。鄭西客運(yùn)專線華山至西安段,8度地震區(qū)(地震動(dòng)峰值加速度0.25g,),線路走行于渭河二級(jí)階地,大部分采用了“以橋代路”,橋梁高度普遍在10m左右。據(jù)統(tǒng)計(jì),多遇地震下32m簡(jiǎn)支箱梁橋的地震水平力就高達(dá)2000kN,該段橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均由地震力檢算控制,平均樁長(zhǎng)因此而增加5~7m。粗略估計(jì),該段橋梁設(shè)計(jì)因此而增加的工程投資就超過了2.0×108元。而在罕遇地震條件下,由于重力式橋墩墩身剛度很大,難以出現(xiàn)塑性鉸,以致在高速鐵路橋梁工程中無法采用延性設(shè)計(jì)方法。一旦發(fā)生超出設(shè)計(jì)地震烈度的強(qiáng)烈地震,結(jié)構(gòu)幾乎會(huì)不可避免地將產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷和破壞。因此,傳統(tǒng)的高速鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)方法存在許多嚴(yán)重弊端,應(yīng)當(dāng)引入減震設(shè)計(jì)方法,探尋和研究適合高速鐵路橋梁減震設(shè)計(jì)的措施,增強(qiáng)高速鐵路橋梁抵御地震災(zāi)害的能力。3觀測(cè)裝置與風(fēng)力系統(tǒng)的減隔震設(shè)計(jì)減隔震設(shè)計(jì)方法及技術(shù)措施大致可以分為兩類,減隔震技術(shù)和延性抗震設(shè)計(jì)。減隔震技術(shù)主要通過采用減隔震裝置來盡可能地將上部結(jié)構(gòu)與可能引起破壞的地面運(yùn)動(dòng)分離開來,從而大大減小了傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震力和能量。延性抗震設(shè)計(jì)則是通過結(jié)構(gòu)的延性來提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。這兩種方法均已在日本、美國(guó)、新西蘭等國(guó)的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中得到體現(xiàn)。我國(guó)鐵路抗震規(guī)范給出的延性設(shè)計(jì)方法,是利用墩身出現(xiàn)塑性鉸后,橋墩產(chǎn)生較大的延性變形達(dá)到減小地震響應(yīng)的目的,這種方法的弊端在于,一旦靜定結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)支梁橋墩出現(xiàn)塑性鉸,就形成了一個(gè)接近于機(jī)動(dòng)體系的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),盡管橋墩塑性鉸仍具有一定的承彎能力。因此,必須采用有限延性的概念嚴(yán)格控制橋墩的塑性變形,況且這種方法并不適用于高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)。橋梁減隔震技術(shù),在梁體與墩臺(tái)的連接處安裝減隔震支座,如板式橡膠支座、盆式橡膠支座、鉛芯橡膠支座等,通過改變結(jié)構(gòu)周期和阻尼來減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院曾研究過利用鉛芯橡膠支座的減隔震原理,在南疆鐵路高烈度地震區(qū)的布谷孜大橋進(jìn)行了鐵路實(shí)橋的減隔震設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐,試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)踐均表明,在高烈度地震區(qū)采用減隔震設(shè)計(jì)取代傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)是一種理想的選擇。但由于橡膠支座橫向剛度較弱,難以滿足鐵路橋梁動(dòng)力性能方面的要求。雙曲面球型減隔震支座是對(duì)普通球型支座的改進(jìn),由于這種支座采用雙曲面,地震時(shí),固定支座剪斷其水平約束后,在發(fā)生水平位移的同時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定的豎向位移,并具有一定的復(fù)位功能。但是這種支座價(jià)格昂貴,不適用于在簡(jiǎn)支梁橋中大面積推廣,再者,固定支座水平約束的剪斷便意味著支座發(fā)生了損傷破壞,震后的修復(fù)仍然存在很多實(shí)際問題。國(guó)內(nèi)外大量研究和工程實(shí)踐表明,理想的減隔震支座或裝置應(yīng)具備3個(gè)基本功能。1)正常使用功能:即正常使用條件下的豎向和水平剛度可以保障橋梁正常工作。2)周期延長(zhǎng)功能:即在地震作用下可通過延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)基本周期,避開地震能量集中的頻率范圍,從而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。3)能量耗散功能:即通過能量耗散來減小地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。如何實(shí)現(xiàn)上述基本功能呢?特別是對(duì)于鐵路橋梁來說,既要求有足夠的剛度保證列車高速平穩(wěn)運(yùn)行,又要求有足夠的變形能力來有效降低地震力的作用水平,應(yīng)該說是鐵路橋梁減隔震技術(shù)的最關(guān)鍵問題之一。經(jīng)過反復(fù)研究,筆者提出了支座功能分離的減震設(shè)計(jì)思路,該設(shè)計(jì)理念是將橋梁固定支座改為活動(dòng)支座,在正常使用狀態(tài)下,梁體傳來的豎向反力及梁端的轉(zhuǎn)角仍由支座實(shí)現(xiàn),但梁體的水平反力及水平位移則由減震榫支撐和控制。地震發(fā)生后,梁體地震水平力將通過減震榫傳至橋墩。通過對(duì)減震榫構(gòu)造的精細(xì)化設(shè)計(jì),在正常運(yùn)營(yíng)下滿足列車對(duì)橋梁剛度的使用要求,在強(qiáng)震下有足夠的延性以達(dá)到減小地震力的目的。支座功能分離的減震設(shè)計(jì)方法相對(duì)于傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法有了本質(zhì)的變化。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法都是使結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,以達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)。這種“以強(qiáng)制強(qiáng)”的設(shè)計(jì)方法,不但增大了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),而且還將付出沉重的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。支座功能分離的減震設(shè)計(jì)方法通過對(duì)支座體系水平和豎向功能的分離,具有傳力路徑明確、各部件功能單一、橫向和豎向變形不耦聯(lián)、易于精細(xì)化設(shè)計(jì)和控制的特點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)減震目的。4震動(dòng)拱下內(nèi)固定式結(jié)構(gòu)內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)將減震榫下端錨固于橋墩頂帽上,上端伸入梁體底面一個(gè)預(yù)埋的鋼盒中,用橡膠或?yàn)r青砂膠填塞減震榫與鋼盒之間的縫隙,使其與梁體實(shí)現(xiàn)理想的鉸接傳力,同時(shí),將固定支座改為活動(dòng)支座,于是實(shí)現(xiàn)了支座功能的分離。由圖5可以看到,就受力行為而言,減震榫是典型的懸臂梁結(jié)構(gòu),屬于彎剪構(gòu)件。當(dāng)上端作用水平力為p時(shí),減震榫彎矩分布為三角形,根部最大彎矩由下式?jīng)Q定:M=p·h(1)式(1)中,M為減震榫根部彎矩,kN·m;p為減震榫端部作用水平力,kN;h為減震榫高度,m。4.1要確保橋墩與震動(dòng)剪切的線剛度由于梁體與橋墩通過減震榫連為一體,橋墩的線剛度將發(fā)生變化,如下式:K=KdKsKd+Ks(2)Κ=ΚdΚsΚd+Κs(2)式(2)中,K為合成后的橋墩線剛度;Kd為原橋墩線剛度;Ks為減震榫線剛度。為了滿足橋上鋪設(shè)無縫線路的需要,橋墩縱向線剛度不能因?yàn)榕c減震榫組合而有較大的削弱,對(duì)于32m簡(jiǎn)支箱梁,橋墩線剛度要求不小于400kN/cm,因此減震榫的剛度應(yīng)當(dāng)大于2000kN/cm,方可保證橋墩與減震榫的組合線剛度能滿足要求。通過上面的分析,得到的結(jié)論是:一方面在使用狀態(tài)下的彈性階段,希望減震榫具有較大的剛度;另一方面,又希望在地震發(fā)生時(shí)減震榫提供較大的塑性變形。這一矛盾,需要在減震榫設(shè)計(jì)中妥善解決。4.2關(guān)于減緩用材料性能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則結(jié)合橋梁抗震設(shè)計(jì)的要求,減震榫應(yīng)當(dāng)在多遇地震、設(shè)計(jì)地震、罕遇地震3種不同條件下,呈現(xiàn)不同的變形性能,實(shí)現(xiàn)抗震與減震的作用。減震榫設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)合理選擇其材料的最大應(yīng)變范圍,圖6顯示的是鋼材的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系,其中,σb為鋼材的極限強(qiáng)度,σs為鋼材的屈服強(qiáng)度。按照“小震不壞、中震可修、大震不倒”的原則,我們提出減震榫基于材料性能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下。1)在正常使用狀態(tài)下,減震榫工作應(yīng)力按規(guī)范規(guī)定取值。最大應(yīng)變控制在A點(diǎn)以下(0.15%左右),且應(yīng)具備足夠的抗推剛度,以滿足鐵路橋梁行車的安全性、舒適性指標(biāo)要求,及無縫線路對(duì)橋梁墩臺(tái)線剛度的要求。2)多遇地震水平下,抗震規(guī)范要求橋梁結(jié)構(gòu)按彈性理論進(jìn)行設(shè)計(jì)與檢算,不得出現(xiàn)較大的損傷,由于減震榫可不考慮疲勞問題,故允許出現(xiàn)少量塑性變形。最大應(yīng)變控制在A點(diǎn)附近(≤0.5%)。3)設(shè)計(jì)地震水平下,抗震規(guī)范要求檢算上下部結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)件強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)損傷,但經(jīng)短期搶修后,可恢復(fù)其使用功能。據(jù)此可以規(guī)定,減震榫允許出現(xiàn)較大的塑性變形,工作范圍在材料的屈服平臺(tái)上,最大應(yīng)變控制在B點(diǎn)(2%~3%)。4)罕遇地震水平下,結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)損傷與破壞,但不得倒塌。據(jù)此,減震榫的最大應(yīng)變可進(jìn)入材料的應(yīng)變強(qiáng)化段。但不得超過極限拉應(yīng)變,以保證減震榫不致失效,造成落梁事故的發(fā)生。最大應(yīng)變控制在B點(diǎn)-C點(diǎn)之間(5%~8%)。5減降器剪力重疊傳統(tǒng)的鐵路簡(jiǎn)支梁橋抗震設(shè)計(jì),上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平地震力是通過支座和支座錨螺栓傳給橋墩,考慮到強(qiáng)烈地震發(fā)生時(shí),支座錨螺栓可能被剪斷,為防止地震落梁的事件發(fā)生,在墩頂埋設(shè)防落梁設(shè)施(剪力榫)。當(dāng)支座錨螺栓被剪斷后,梁體移動(dòng)觸及剪力榫后,剪力榫才起到限位和防落梁的作用。顯然,通常做法的剪力榫并未起到減震耗能的作用。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的剪力榫僅起到地震中防落梁的作用。如果將剪力榫的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造加以改變,由承受剪力改變?yōu)槌惺軓澗?就能合理地利用其塑性變形性能,實(shí)現(xiàn)減震耗能的目的,這就是筆者提出的減震榫。然而,利用減震榫實(shí)現(xiàn)減震目的,不僅是減震榫本身結(jié)構(gòu)和功能的改進(jìn),更主要的是設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法的轉(zhuǎn)變。5.1活動(dòng)應(yīng)然結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改造下面結(jié)合高速鐵路32m簡(jiǎn)支箱梁(見圖7)介紹利用減震榫的延性行為實(shí)現(xiàn)橋梁減隔震的具體做法。32m簡(jiǎn)支箱梁主要設(shè)計(jì)參數(shù):跨徑Lp=32.0m,梁高H=3.05m,上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量(含橋面系)N=1449t,梁底至墩頂距離h=0.6m。根據(jù)支座功能分離的設(shè)計(jì)理念,將原固定支座改為活動(dòng)支座,原有的活動(dòng)支座不變,在箱梁兩端與橋墩之間各設(shè)置兩根減震榫,箱梁變?yōu)榭v橫向均為彈性約束的狀態(tài)。梁體傳來的豎向反力及梁端的轉(zhuǎn)角由活動(dòng)支座實(shí)現(xiàn),梁體的水平反力及水平位移則由減震榫來實(shí)現(xiàn)。通過精細(xì)化設(shè)計(jì)與制造,使減震榫在正常使用下處于彈性工作狀態(tài),在強(qiáng)震作用下,進(jìn)入塑性工作狀態(tài),達(dá)到減震耗能目的。圖8為減震榫結(jié)構(gòu)示意圖,其中區(qū)段A為減震榫變形段,區(qū)段B為減震榫錨固段。5.2單根衰減剪切桿端位移按照?qǐng)D8設(shè)計(jì)的減震榫尺寸,進(jìn)行了構(gòu)件延性分析,減震榫的p-Δ曲線如圖9所示,減震榫的滯回曲線如圖10所示。計(jì)算得到,減震榫端部彈性水平位移為Δ=0.00586m,對(duì)應(yīng)的桿端水平力為p=325kN;減震榫端部最大塑形水平位移為Δ′=0.0709m,對(duì)應(yīng)的桿端最大水平力為pmax=383kN。一孔梁(雙線)共設(shè)置4根減震榫,每側(cè)梁端各設(shè)置兩根。單根減震榫剛度為Kj=pΔ=3250.586=554.6(kN/cm)Κj=pΔ=3250.586=554.6(kΝ/cm)4根剪力榫的合成剛度則為KS=2218.0(kN/cm)運(yùn)營(yíng)條件下,一孔梁按ZK活載計(jì)算的列車制動(dòng)力為253kN,減震榫產(chǎn)生的縱向彈性水平位移僅為Δ=1.1mm。在橫向搖擺力和風(fēng)力作用下產(chǎn)生的橫向位移也很小,均能滿足規(guī)范要求。5.3橋梁減速度分析5.3.1橋梁改造設(shè)計(jì)設(shè)置減震榫后,由于減震榫剛度與橋墩剛度組合的效果,低矮橋墩的剛度得到折減,同時(shí)使地震水平力得到較大幅度的降低。仍然以鄭西客運(yùn)專線32m簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔?以橋代路段高度6~16m的橋墩剛度為1650~640kN/cm,設(shè)置減震榫后橋墩組合剛度為950~500kN/cm,如圖11所示。由于橋墩剛度降低,結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng),使墩頂水平力與墩身彎矩均得到減少,墩頂水平力分別減少了18.4%~41.1%,墩身彎矩分別減少了25.2%~45.3%,其中