铁路桥梁减隔震设计方法及设计参数研究

【摘要】： 减隔震技术是桥梁抗震的有效措施，减隔震技术在国外桥梁中的应用已经比较广泛，而在我国桥梁尤其是铁路桥梁中的应用还很少，相应的桥梁隔震设计理论和设计方法还不够成熟。本文结合目前我国铁路桥梁隔震设计中存在的不足，就隔震系统动力参数对隔震桥梁系统地震响应的影响规律、基于能量概念的桥梁减隔震设计、地震时隔震桥梁上行车安全性评估和隔震桥梁系统的参数优化等问题进行了系统研究。主要研究工作如下： 1．通过建立土-桥墩-隔震支座-梁隔震桥梁体系分析模型，系统地研究了隔震系统动力参数对隔震桥梁系统动力响应的影响规律。(1)基于考虑土-结构相互作用的隔震桥梁双自由度模型，给出了双自由度系统振动特性和地震响应的近似计算方法和适用范围，由简化公式计算得到的隔震桥梁地震响应与有限元解一致。(2)验证了选用等效隔震度I_b作为隔震桥梁重要设计参数的合理性，建议在桥梁隔震设计时，等效隔震度I_b应当大于3。(3)提出了隔震支座双向耦合作用对隔震桥梁系统地震响应影响程度的评价指标，通过非线性时程分析，得到了双向地震作用下隔震支座双向恢复力耦合作用对隔震桥梁系统地震响应的影响规律，给出了描述双向耦合作用影响程度与隔震前桥墩一阶固有周期关系的统计公式；对现行的双向地震动组合方法进行评价，提出了双向地震动作用下考虑隔震支座双向耦合作用时桥梁减隔震设计的建议。(4)通过对考虑土-结构相互作用的隔震桥梁进行非线性时程分析，对比了基础刚度变化对隔震桥梁和未隔震桥梁地震响应的影响规律的不同，研究了土-结构相互作用对不同场地、不同桥型的隔震桥梁地震响应的影响规律。 2．依据能量平衡原理建立了隔震桥梁系统能量方程，在此基础上，对基于能量方法的隔震桥梁设计进行了系统地研究。选取与《铁路工程抗震规范》动力放大系数曲线符合较好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地各40条地震波作为激励，研究了地震动特性(PGA)和隔震系统主要动力参数以及隔震支座双向耦合作用对隔震桥梁系统地震输入总能量及其分配的影响规律。基于铅芯橡胶支座的耗能特性，建立了铅芯橡胶支座隔震桥梁的能量破坏准则。提出了基于能量理论的桥梁隔震设计方法：本方法以隔震度作为隔震目标，以隔震支座位移延性比和桥墩位移延性比作为限制条件，将研究得到的非弹性地震输入总能量谱作为地震能量输入进行桥梁减隔震设计，分别采用规范反应谱方法和非线性时程分析法验证了基于能量方法的桥梁隔震设计效果。 3．以车辆输入地震动谱密度强度作为衡量地震时桥上车辆运行安全性的评价指标，对地震时隔震桥梁上列车行车安全性进行评估，为地震时隔震桥梁上列车运行安全性评估提供了简化方法和重要依据。以日本铁路抗震规范中给出的列车安全运行谱密度强度限值为基础，选取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地各40条地震波，分别计算不同场地常遇地震和设计地震作用下的车辆输入地震动谱密度强度SI，通过比较隔震桥梁等效周期处的SI值与相应的谱密度强度限值SI_(Lim)，划分出不同场地隔震桥梁上普通铁路列车和高速铁路列车的运行的安全区域和危险区域。采用铅芯橡胶隔震支座对桥梁结构进行合理的隔震设计后，基本可以保证常遇地震时桥上车辆的运行安全性；设计地震下，三类场地的车辆运行的危险区域都位于中长周期(T_(eq)大约在1.0s-2.0s)区域，危险区域的两侧是两个车辆运行的安全区域，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地对应的长周期安全区域范围依次减小。从行车安全性的角度考虑，隔震桥梁不适宜修建在场地条件较软的位置。 4．建立了隔震桥梁参数优化模型，采用两种优化设计方法对隔震桥梁系统参数进行优化分析研究，为铁路隔震桥梁动力优化设计提供了有效途径和有益参考。(1)运用结构最优化理论建立了隔震桥梁系统参数优化分析模型，优化模型中考虑土-结构相互作用和地震时车辆运行安全性，以隔震支座力学参数作为优化设计变量，在满足梁体与墩顶相对位移限值的前提下，将墩底最大弯矩作为目标函数，优化过程中考虑结构Rayleigh阻尼系数的变化对减隔震体系地震响应的影响，分别采用单条地震波和多条地震波作为激励对隔震桥梁系统进行了参数优化计算。(2)以隔震支座累积耗能比λ_H取最大值时的屈服比F_y／W作为隔震支座的最优屈服比，在El Centro波作用下，对隔震桥梁系统进行非线性能量反应分析，得到了与地震动水平相对应的隔震支座屈服比F_y／W最优值的拟合公式，验证了最优屈服比拟合公式对其它地震波的适用性。应用本文提出的拟合公式可以简化确定最优屈服比的计算过程，便于设计人员掌握和使用。