李雪红，程梦梦，孙 磊，徐秀丽，李枝军，张建东

(南京工业大学 土木工程学院，南京 211816)

近年来，我国高速铁路迅速发展，目前最高设计时速可达350 km/h，京沪高速铁路客运专线每隔3 min就可以开出一趟列车，而我国是一个多地震的国家，有50%的土地面积位于7度以上的抗震设防区，因此，地震发生时列车恰巧在桥上的几率大为增加，对高速运行的列车的安全性将造成巨大威胁。从上世纪90年代开始，基于性能的抗震设计就成为学者研究的一个重要方向[1]，目前，关于高铁桥梁抗震设计也有学者提出了基于性能的设计方法[2]，但是只关注了高速铁路桥梁结构本身的安全，而没有考虑列车运行的安全性。1995年1月神户地震时，列车因轨道振动直接脱轨[3]；2004年日本新潟大地震，新干线高速列车在运行中发生脱轨事故[4]。高速行驶的列车一旦发生脱轨或倾覆，将产生非常惨重的后果和非常不利的社会影响。因此，考虑地震发生时行驶在桥梁上的高速列车的安全性需求，将其融入到桥梁抗震性能目标之中具有非常重要的理论意义和实用价值。

目前，国内外对减隔震技术的研究有很多，茅建校等[5]针对传统桥梁减隔震支座性能单一无法满足正常使用荷载及地震极端荷载等不同工况的现状，设计了一种新型多功能滑移-减隔震支座。余小华等[6]对新型抗震支座-速度锁定器的有限元模拟方法进行了探讨。Xiong等[7]研发了具有完全自复位能力、可规避近场地震共振风险、初始刚度大等优势的新型圆锥面摩擦摆支座。李正英等[8]对比了三种不同减震装置对曲线梁桥减震效果，发现单一的减震措施难以完全满足曲线梁桥减震控制要求，混合减震措施可以弥补单一减震措施的不足。但目前的减隔震技术大多针对纵桥向地震响应，将其用于横桥向可以减小桥梁的地震响应，但能否满足列车的行车安全性尚需进一步研究，对列车运行安全影响最大的是横桥向地震响应[9]，部分学者考虑到了该因素，对桥墩横向位移进行了锁定[10]，控制其移位，但这种处理会增大桥墩的地震响应。对于行车安全性问题，国内学者也有相关研究，张楠等[11]研究了地震对多跨简支梁桥上列车运行安全的影响，刘智[12]对高铁车桥耦合体系地震响应进行了分析，并对安全性作了评价。

本文针对目前最常用的32 m跨径高铁简支梁桥，同时考虑对行车安全不利的路桥过渡段和墩高改变处，对高铁桥梁在地震作用下的行车安全性能进行评价。分析常规减隔震方案对保证列车行车安全性的可行性，研究可以满足地震作用时列车行车安全性的合理减隔震体系。

1 有限元模型的建立

1.1 工程概况

在高铁桥梁中路桥过渡段和墩高改变处对行车安全影响比较大，同时考虑高铁桥梁中出现最多的等墩高情况，计算模型选取15跨单跨跨径为32.7 m的高铁简支梁桥为研究对象，伸缩缝宽度为0.1 m，桥梁总长为523.2 m。如图1所示，桥墩左右靠近桥台位置的墩高依次为5 m、10 m、15 m，等墩高处墩高为20 m，伸缩缝0号和15号处为路桥过渡段，伸缩缝1-4号和11-14号为墩高改变处，伸缩缝5-10号为等墩高处，桥墩墩底固结，不考虑桩土作用，采用盆式橡胶支座。

图1 全桥模型示意图

1.2 有限元模型

本文采用SAP2000有限元程序建立高速铁路简支梁桥的动力计算模型，模型主梁采用壳单元、轨道采用梁单元、扣件选择WJ-7B型，采用连接单元，扣件按照工程实际设置，扣件选择理想的弹塑性力学模型模拟，采用multilinear模拟，按每0.625 m间隔设置扣件，梁缝处扣件间距0.6 m，扣件计算参数如下：垂向：刚度为52.5 MN/m，阻尼为75 kN·s/m，横向：刚度为45 MN/m，阻尼为60 kN·s/m。盆式橡胶支座采用linear连接单元模拟，竖向刚度取无限大，在建模时取1×1012N/m；活动方向设一个很小的刚度，在建模时取1 N/m；固定方向的刚度取无限大，在建模时取1×1012N/m。桥墩选择梁单元，将路基视为刚体[13]。由于梁轨相互作用引起路堤上钢轨变形范围较大，因此在实际分析中，本模型以桥台外100 m处为钢轨锁定点，有限元模型如图2所示。地震动输入按照《铁路工程抗震设计规范(GB50111—2006)[14]中的相关规定，地震动输入采用横向+竖向的地震动激励，其中竖向地震动取水平地震基本加速度值的65%。采用非线性时程分析法，用三条人工地震波，人工地震波采用SIMQKE程序进行拟合，采用Ⅱ类场地、地震分组为第一组、设计加速度0.3 g的加速度反应谱拟合而成。

图2 有限元模型

2 高铁桥梁行车安全性评价

2.1 行车安全性评价指标

影响列车行车安全性的主要指标为轨道变形，包括轨道的的横向错位和折转角。目前，只有《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909—2014)[15]中对地震作用时的轨道变形限值进行了规定，表1列出了行车安全性指标界限值。

表1 行车安全验算指标界限值

此外，轨道的横向加速度亦会对列车的行车安全性产生较大影响。各国铁路的标准对轨道横向加速度限值不尽相同，但大多限定在100～120 gal，我国参考国外标准和京沪高速铁路前期研究的成果，将轨道的横向加速度限值初步定为120 gal(1.2 m/s2)[16]。

2.2 轨道变形分析

分别选取轨道最大水平向地震响应，分析轨道的错位和折转角，如图3～图4所示。

图3 轨道横向错动位移

当列车时速为350 km/h时，轨道的错位限值为8.482 mm，轨道水平折转角限值为2.52‰。由图3和图4的计算结果，可以看出：

图4 轨道水平折转角

(1)在路桥过渡段0号和15号伸缩缝处轨道错位大幅超过限值，在变墩高处3、4和12、13号伸缩缝处轨道错位超过限值，在等墩高处轨道错位相对较小，没有超过安全限值。

(2)轨道水平折角随着墩高的增加而变大，在墩高15～20 m范围内轨道水平折角大于限值，在路桥过渡段和桥墩较矮处水平折角未超过限值。

由上述分析可知，当采用盆式橡胶支座时，高铁桥梁的轨道变形不满足列车行车安全性的要求。

2.3 轨道横向加速度分析

分别选取每一跨轨道最大横向加速度响应，如图5所示。

图5 轨道横向加速度

从图5可以看出：采用盆式支座的高铁桥梁轨道横向加速度在3.5～5 m/s2之间，远远大于轨道横向加速度限值1.2 m/s2。

3 常规减隔震高铁桥梁行车安全性分析

目前应用最多的为铅芯橡胶支座和摩擦摆支座，支座参数通过查阅相关文献和规范确定，铅芯橡胶支座采用4根铅芯圆形支座，直径为820 mm，高度为183 cm，橡胶剪切模量为1.2 MPa，在SAP2000中铅芯橡胶支座采用Rubber Isolator连接单元模拟，屈服力为241 kN，屈服前刚度为29 800 kN/m，屈服后刚度为4 600 kN/m，水平等效刚度为6 000 kN/m；摩擦摆支座采用竖向承载力为5 000 kN，球面曲率半径为1.5 m，摩擦因数为0.03的支座，采用Friction Isolator连接单元模拟，屈服前刚度为63 300 kN/m，屈服后刚度为3 330 kN/m，水平等效刚度为5 200 kN/m。

3.1 轨道变形分析

分别选取轨道最大水平向地震响应，分析轨道的错位和折转角。图6和图7为各墩柱处轨道横向错位和轨道折转角。为了便于对比分析，盆式支座方案亦绘于图中。

图6 轨道横向错动位移

图7 轨道水平折转角

由图6和图7可以看出：

(1)采用减隔震支座后，相比于盆式支座，轨道横向错位大幅减小，但1号和15号伸缩缝处的错位值仍超过了安全限值。

(2)采用摩擦摆支座的轨道折角全部满足安全限值，采用铅芯橡胶支座的轨道折角在1号和15号伸缩缝处不满足要求，其它伸缩缝处都满足安全限值。

由上述分析可知采用铅芯橡胶支座或摩擦摆支座之后，部分区域的轨道变形依然无法满足行车安全性的要求。

3.2 轨道横向加速度限值分析

分别选取每一跨轨道最大横向加速度响应，如图8所示。

从图8可以看出：当采用减隔震支座后轨道横向加速度大幅减小，但采用铅芯橡胶支座的高铁桥梁在第1跨和第15跨轨道横向加速度依然超过了安全限值，不满足行车安全性的要求。

图8 轨道横向加速度

4 抗冲击多向耗能阻尼器研发及其力学性能

4.1 抗冲击多向耗能阻尼器构造及工作原理

针对前述常规的减隔震措施无法完全满足高铁桥梁行车安全性的问题，兼顾同时考虑不同方向地震作用时对桥梁结构地震响应的降低作用。研发了抗冲击多向耗能阻尼器。抗冲击多向耗能阻尼器的基本组成包括连接下部结构的底板、可动阻抗板、固定阻抗板以及连接上部结构的顶板等，内部填充黏滞阻尼材料，如图9所示，其构造设计的关键技术在于各阻抗板之间保持剪切间隙一致，并通过叠层累加的方式形成多层结构，充分利用有效的构造空间，可有效减小阻尼器的体积。

(a)总装图

图10 阻尼器工作原理示意图

地震作用下，桥梁上、下部结构之间产生相对位移，连接主梁的顶板带动可动阻抗板在钢箱内往复运动，与连接在底板上的固定阻抗板之间产生相对位移，使得钢箱内的黏滞材料发生剪切变形从而产生阻尼力，耗散地震输入结构的能量，达到减震耗能的目的。该阻尼器可以在任意平行于剪切面的方向上运动，一个装置可兼顾作为多向减震装置，克服了现有黏滞阻尼器只能在单一方向发挥减震耗能作用的局限性。

4.2 抗冲击多向耗能阻尼器力学性能

4.2.1 耗能性能

为了验证阻尼器的耗能性能，分别进行了不同位移幅值、不同加载频率的低周反复试验[17]，试验如图11所示。图中矩形框内为抗冲击多向耗能阻尼器实体图。其滞回曲线如图12和图13所示。

图11 试验加载

图12 不同位移幅值时的滞回曲线(频率：0.025 Hz)

图13 不同频率时的滞回曲线(位移幅值：12.5 mm)

从图12和图13中可以看出，在同一加载频率的条件下，随着位移幅值的增加，阻尼器滞回曲线包络面积越来越大，耗能能力不断增强。在同一位移幅值的条件下，随着加载频率的增加，耗能能力不断增强。总的来说，在不同工况下，该阻尼器的滞回曲线均非常饱满，具有较强的耗能能力。

4.2.2 抗冲击性能

通过落锤冲击试验，研究该阻尼器的抗冲击性能[18]。分别进行了落锤高度为10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm的冲击试验。落锤冲击试验模型及试验现场如图14所示。其中图15绘出了不同落锤高度时阻尼力和速度的关系曲线；图16给出了不同落锤高度时位移和时间的关系曲线。

(a)试验模型

图15 阻尼力-速度曲线

图16 位移-时间关系曲线

由图15可看出，在不同落锤高度时，阻尼力-速度曲线均较为平稳，阻尼力变化受落锤高度的影响较小，说明所研发装置的性能受冲击作用影响小，抗冲击性能较好。

由图16可看出，在冲击瞬间，顶板的位移量很小，最大位移约1.8 mm，说明在较大冲击力作用下，阻尼器的位移量非常小，具有较好的稳定性，可提供较大的刚度，具备良好的抗冲击性能。该特性可使桥梁结构在大震作用下支座剪断瞬间结构体系转换时保证结构整体刚度不发生突变，以满足结构体系转换的稳定性。

4.2.3 力学模型的建立

目前，各国学者比较一致的观点是，黏滞阻尼器的阻尼力与阻尼系数C和阻尼器运动速度的α次方成正比，即F=CVα，其中阻尼系数C与液体的黏度、阻尼器基本结构有关。根据阻尼器的低周反复试验结果，可采用Maxwell模型来表达其力学行为。为了较准确地描述该阻尼器的耗能能力和抗冲击性能，考虑黏滞阻尼器的材料性能、剪切面积、相对速度、剪切间隙等因素的影响，建立该阻尼器的力学模型如式(1)所示。其中v/d<10时，采用低周反复试验的试验数据进行参数拟合；v/d≥10时，采用冲击试验的试验数据进行拟合。

(1)

式中:μt为t℃下黏滞液的动力黏度(kN·s/m2)，取μ25=0.78；Ae为剪切面积(m2)；v为相对速度(m/s)；d为剪切间隙(m)；a和b为系数，根据低周反复试验结果拟合而成，如表2所示。

表2 a、b取值

三种情况下，参数拟合得到的计算值与试验值的对比如图17所示，可以看出，计算结果与试验值吻合较好。试验得到的点在计算值曲线周围分布均匀，并与计算值趋势走向一致，无较大偏差。

(a)v/d<1

5 高铁桥梁横向组合减震体系

将抗冲击多向耗能阻尼器与盆式支座相结合，建立高铁桥梁横向组合减震体系，如图18所示。竖向力由支座承担，阻尼器不承担竖向力。E1地震下剪力由支座承担；E2地震作用下，盆式支座剪断失效，支座剪断瞬间产生的水平向冲击力由阻尼器承担，并且在支座失效瞬间阻尼器可提供大刚度，保证结构体系转换的稳定性，使转换瞬间不会产生大的轨道变形；之后阻尼器发挥耗能作用，降低桥梁结构的地震响应。

图18 组合减震体系布置示意图

为了验证抗冲击多向耗能阻尼器在支座剪断瞬间体系转换过程的稳定性，采用ABAQUS软件进行模拟，盆式支座采用Cartesian连接单元模拟，剪力键采用力失效准则，当横向水平承载力达到竖向承载力的20%时，即1 000 kN时，剪力键失效。抗冲击型阻尼器采用Axial连接单元模拟，分别读取第一跨墩梁相对速度和相对位移，分析结果如图19～20所示。图19和图20分别绘出了支座剪断瞬间的墩梁相对速度时程曲线和墩梁相对位移时程曲线，为了方便对比，也同时绘出了无阻尼器和常规黏滞阻尼器的时程曲线。

从图19和图20可以看出，在支座剪断瞬间主梁横向速度和位移产生突变，采用组合减震体系后主梁横向速度和位移突变可以得到有效控制，能减缓盆式支座剪断瞬间对行车安全产生的不利影响。

图19 墩梁相对速度时程曲线

图20 墩梁相对位移时程曲线

5.1 轨道变形分析

分别选取轨道最大水平向地震响应，分析轨道的错位和折转角。图21和图22给出了为各墩柱处的轨道错位和折转角。

图21 轨道横向错动位移

图22 轨道水平折转角

从图21和22可以看出高铁桥梁采用组合减震体系后，轨道横向错动位移和轨道水平折转角均小于安全限值，满足行车安全性的要求。

5.2 轨道横向加速度限值分析

分别选取每一跨轨道最大横向加速度响应，如图23所示。

从图23可以看出采用减隔震体系之后，轨道横向加速度也在安全限值以内，满足行车安全性的要求。

图23 轨道横向加速度

6 结 论

(1)采用普通盆式支座的高铁桥梁，在地震作用下，路桥过渡段和墩高改变处的轨道错位，以及墩高较高范围内的轨道水平折角大于行车安全的允许限值，轨道横向加速度亦超过允许限值1.2 m/s2，不满足高铁列车行车安全性的要求。

(2)采取铅芯橡胶支座或摩擦摆支座等减隔震措施后，桥梁的地震响应有所降低，但路桥过渡段轨道的横向错动位移依然不满足行车安全性的要求，横向加速度也已超过或接近允许的限值。

(3)针对地震作用下高速运行的列车的行车安全性需求，同时兼顾不同方向地震作用下降低桥梁结构地震响应的功能需求，研发了抗冲击多向耗能阻尼器，并通过试验验证其具有较强的耗能能力及抗冲击性能，在支座剪断瞬间，可抵抗传递而来的较大的冲击力，并且可提供较大的刚度，保证此瞬间轨道不会出现较大变形，保证行车的安全性。

(4)将盆式支座与抗冲击多向耗能阻尼器相结合，提出高铁桥梁横向组合减隔震体系，可有效保证地震发生时高速运行的列车的行车安全性。