靳 飞

(中土凯明工程咨询有限公司 北京 100038)

1 工程背景

阿尔及利亚175铁路项目为双线有砟无缝线路，区间线间距4 m，设计时速为客车160 km和货车100 km，电气化牵引。桥梁标准宽度12.82m，全线桥梁总长度近20 km，大部分桥梁处于山区高烈度地震带区域(50年超越概率为10%的水平地震动峰值加速度在0.25～0.4 g之间)，全线桥梁墩高变化较大，最大墩高为61 m左右。全线桥梁结构形式多样，有简支钢混组合梁，连续钢混组合梁、简支钢桁梁、混凝土连续刚构等。海外工程大多为设计施工总承包，即EPC模式，设计不仅要考虑结构的安全性，最重要的是经济性，同时应业主要求还要考虑运营通车后的维修便捷性和成本[1]。所以位于高烈度地震带的山区铁路桥梁，研究采用哪种抗震方法和减隔震支座所获得的抗震效果最好、桥梁经济指标最低和震后修复便捷是一个极为复杂的工作[2]。本文篇幅有限，仅对铅芯橡胶支座和摩擦摆支座在本项目上的应用进行简要对比分析和评价，得出较为适合本项目的减隔震支座。

2 阿尔及利亚175项目减隔震支座选用主要原则

本项目抗震设计所采用的主要标准为阿尔及利亚抗震规范RPOA2008，辅以EN1998-2、NF EN1991-2和NF EN15129，桥梁抗震方法、减隔震装置和梁端限位装置的选用主要遵循以下5项原则[3]:(1)制动力和牵引力作用下，桥跨之间或桥跨和桥台之间的梁面绝对位移不大于5 mm，梁轨快速相对位移不大于4 mm。在常遇地震(30%极限地震力)工况下梁面最大位移不超过20 mm；(2)震后维修工作量最小化；(3)发生常遇地震后，桥梁必须保持完整正常运营功能；(4)发生罕遇地震后，经过对部件进行最小程度的修复或更换后，可及时恢复使用功能，并且梁部具有良好的复位性能；(5)成熟的产品和理想的使用实例反馈。

3 减隔震支座主要种类及其作用

用于铁路桥梁上的减隔震支座主要有摩擦摆支座(FP)、铅芯橡胶支座(LRB)和M型或E型弹塑性型钢组合的盆式支座，由于M型或E型型钢的弹塑性变形会产生残余累计变形，无法提供良好的复位性能[4]，因此本项目不考虑将此类型支座作为比选支座。抗震设计的核心是通过优化桥梁结构或设置耗能装置达到消耗地震能量，从而减少地震对桥梁结构的破坏[5]。铅芯橡胶支座主要通过滞回环消耗地震能量，进入塑性的铅芯棒将导致较低的支座刚度，延长桥梁结构的震动周期[6]。摩擦摆支座主要通过延长桥梁结构的震动周期达到减小结构的地震反应[7]，以上两种支座都能有效降低地震能量向梁部的传递，减少下部结构承受的地震力，进而降低下部结构的经济指标。

4 本项目拟采用的减隔震支座简介

4.1 摩擦摆支座(FP)

摩擦摆支座根据滑动摩擦副的个数分为单曲面和双曲面摩擦摆[8]，两种支座类型选择主要取决于地震计算时上下支座板的相对位移，相对位移小则选择单曲面摩擦摆，相对位移大则选择双曲面摩擦摆。单曲面摩擦摆的支座尺寸较大，导致墩顶帽尺寸大，双曲面摩擦摆与之相反。摩擦摆支座的滑动面提供了摩擦阻尼耗能，钟摆机理可以延长结构的自振周期，通过调整曲面的曲率半径可以调整隔震周期，曲面上的重力作用提供复位功能。对于正常使用下，保险栓是必不可少的部件，保证结构在制动力/牵引力作用下和常遇地震下的位移要求；按照欧标规范要求，保险栓抗剪断力不应小于以下两个力的最大值:(1)制动或牵引力最大值的1.5倍；(2)常遇地震力。摩擦摆支座在保险栓剪断后表现出极佳的减隔震效果，主要是由于摩擦摆隔震周期可以设置较长。

虽然摩擦摆支座在国内外一些铁路桥上有使用的例子，但在欧洲铁路桥设计中却较少采用，主要考虑到以下5个方面原因:(1)不同的墩高和桥跨结构对应的保险栓剪断力是不一样的，当摩擦摆支座使用较多时，保险栓的设计尺寸种类太多，如果减少保险栓的尺寸类型，势必会导致一些桥墩在罕遇地震下由于保险栓没有剪断而造成下部结构经济指标较高；(2)当罕遇地震下保险栓被剪断，保险栓从工厂运输到现场安装时间较长，不利于地震后交通的及时恢复；(3)在活载反复碾压下，滑动面磨损会影响支座寿命[9]；(4)保险栓剪断后，由于摩擦摆支座相对运动位移较大，需要采用较大尺寸的伸缩缝；(5)对于长联连续梁的边墩支座，温度升降温效应产生梁体伸缩，摩擦摆支座的滑动面为圆弧面，将会导致轨顶抬升或降低，对钢轨产生额外附加应力[10]。

4.2 铅芯橡胶支座(LRB)和梁端横向限位装置

铅芯橡胶支座(见图1)通过铅芯弹塑性变形吸收能量，进入塑性剪切变形后的支座具有柔性，延长结构的运动周期[11]，橡胶的弹性提供复位功能，对于联长超过200 m的连续梁全桥使用LRB支座，边墩支座由于温度升降温和制动力叠加，需要在纵向设置可滑移的LRBU支座，见图 2。LRB抗震支座的特点主要有以下4点:(1)LRB的特点是有力就有位移，支座具有一定的柔度，不像摩擦摆支座(在剪力销剪断之前支座不会有相对位移，支座水平向刚度无限大)，所以在常遇地震下，安装LRB支座的下部结构所受水平力较小，经济指标较优；(2)装置更换简单；(3)由于其刚度在不同跨度之间耦合效应，明显减少了独立跨度之间的相对运动；(4)在罕遇地震发生后，进入塑性的铅芯可在常温下再结晶，恢复铅芯的初始刚度，不需要更换支座。

图1 铅芯橡胶支座(LRB)示意

图2 用于长联边墩LRBU(纵向滑动)

LRB对于铁路桥梁来说，最大的缺点在于常规力下(列车横向摇摆力)和车桥耦合横向振动下提供的横向刚度不足。针对这个问题，提出以下3个项措施解决此问题:(1)梁端设置横向限位装置，使得两跨梁端无横向相对位移，如图3和图4所示；(2)增加铅芯棒个数和直径，提高支座初始刚度；(3)罕遇地震下，在使用了LRB支座的墩顶设置防落梁装置[12]，防止LRB支座剪切变形过大导致支座失效后的落梁事故发生。

图3 梁端限位装置立面图

图4 梁端限位装置平面图

5 摩擦摆支座(FP)和铅芯橡胶支座(LRB)的减震效果比较

本文选取阿尔及利亚175铁路项目中一座代表性铁路桥梁(钢混组合简支梁)进行减隔震效果对比分析。选取3种荷载工况和2种支座类型分别进行计算。3种荷载工况分别是:工况1，制动力/牵引力；工况2，常遇地震(常遇地震力为罕遇地震力的30%)；工况3，罕遇地震。2种支座类型分别是:摩擦摆支座(FP)和铅芯橡胶支座(LRB)。限于篇幅，本文仅列举部分墩台的计算结果。

5.1 代表性桥概况

该桥由6孔50 m简支梁组成，全桥位于直线上，主要墩高分布在12.5～30 m之间，墩台均采用桩基础，见图5。梁部均采用钢混组合梁，工字钢梁与混凝土桥面板叠合在一起，见图6和图7。桥址处50年超越概率为10%的水平地震动峰值加速度为0.25 g。本桥选取的FP支座主要参数为:竖向承载力9 000 kN，最大容许水平位移15 cm，摩擦系数5%，球面曲率半径5 m，保险栓尺寸根据不小于制动/牵引力最大值的1.5倍或常遇地震力的较大值而定。本项目选取的LRB支座主要参数为:初始刚度K1=49 895 kN/m，屈服后刚度K2=2 668 kN/m，铅芯屈服强度fy地震力作用下为10 MPa，制动力下为5 MPa，温度力下为3 MPa，徐变效应下为0 MPa。

图5 代表性桥-钢混组合简支梁(单位:m)

图6 钢混组合简支梁跨中横断面(单位:m)

图7 钢混组合简支梁支座处横断面(单位:m)

5.2 位移计算

分别对该桥进行工况1和工况2作用下的梁梁间和梁台间相对位移计算。在工况1、工况2作用下，各支座方案顺桥向梁梁之间和梁台之间的相对位移均控制在5 mm范围内，满足欧标规范要求，各支座方案顺桥向梁梁之间和梁台之间的相对位移均小于20 mm，满足欧标规范要求。

5.3 支座剪力和减隔震系数η计算

分别对代表性桥进行工况2和工况3作用下的墩顶支座处地震剪力计算，对各支座方案下的地震剪力进行对比。(1)工况2作用下:①纵桥向，采用FP支座的墩顶纵桥向水平地震剪力略小于采用LRB支座；②横桥向，采用LRB支座的墩顶横桥向水平地震剪力几乎均小于采用FP支座，见表1。(2)工况3作用下:采用FP支座方案各墩顶支座处纵横向水平地震剪力均远小于采用LRB支座方案，见表2。

表1 工况2墩顶支座处水平剪力 kN

表2 工况3墩顶支座处水平剪力 kN

依据各支座方案在工况2和工况3作用下的墩顶支座处水平剪力计算结果，总结出该桥分别设置FP支座和LRB支座后的减隔震系数η(见表3)可得:(1)在常遇地震下，纵桥向FP和LRB方案η接近，横桥向LRB方案明显小于FP，可见在常遇地震下LRB方案的减隔震效果更好，原因在于常遇地震下FP支座的保险栓不被剪断，FP支座的行为同普通支座，而LRB方案支座水平刚度要小于普通支座；(2)FP在常遇地震下减隔震率η高于LRB，在罕遇地震下减隔震率η低于LRB，原因在于FP方案的保险栓剪断，FP预设的隔震周期对桥梁结构周期的延长效果非常明显，从而减少了地震反应，降低了水平地震剪力。

表3 减隔震系数η

5.4 小结

本文选取的代表性桥在分别采用2种支座方案下的分析计算结果表明:LRB支座在常遇地震作用下，横桥向减隔震效果比FP支座有较明显优势，虽然在罕遇地震下FP支座减隔震效果比LRB有明显优势，但是考虑到FP支座存在震后抗剪螺栓更换不方便等问题，本项目业主监理最终选择了LRB支座作为本项目桥梁的减隔震支座。考虑到LRB支座的初始刚度不如FP支座刚度大，在增加梁端横向限位装置的基础上，也进行了梁部横向刚度相关计算。依据欧标EN1990中A2.4.4.2.4条规定，梁部横向自振频率不得小于1.2 Hz和水平荷载引起的梁横向弯曲曲率半径不得小于9 500 m。对代表性桥静力计算结果如下:梁部横向自振频率为1.37 Hz，梁部横向水平最大位移在离心力作用下为8.3 mm，在横向风作用下为4.1 mm，在摇摆力作用下为1.4 mm，梁横向水平位移合计为13.8 mm，水平曲率半径为870 471 m，均满足欧标规范要求。

6 结论

本文介绍了摩擦摆支座(FP)和铅芯橡胶支座的特点，通过选取代表性桥梁分别采用2种支座进行抗震效果对比研究，结果表明FP支座虽然在罕遇地震工况下取得非常好的减隔震效果，考虑到本项目桥梁个数较多，桥梁墩高和跨度种类较多，若选用FP支座则保险栓的尺寸种类太多不利于本项目支座设计和制造，且保险栓剪断后制作运输到桥位周期较长，不能满足大震后及时通车的需求。而LRB支座计算、设计和制造均比FP支座简单，大地震后不需要更换支座，震后桥梁恢复通车及时性方面要优于FP支座，所以LRB支座在综合比较后最终被业主监理选用，采用LRB支座的桥梁在常遇地震和罕遇地震下可以大幅降低桥梁下部结构的经济指标，符合EPC模式下对项目经济性的要求。