1 引言

21世纪以来，中国高速铁路网络规模持续领跑全球，并加速向地形复杂、地震频发的西部地区延伸。截至2023年，国家《中长期铁路网规划》提出的“八纵八横”主通道已完成80%建设目标，高铁已成为推动区域经济均衡发展、提升居民出行效率的核心基础设施。然而，西南地区地处欧亚板块地震活跃带，近断层地震动特性显著，对高铁桥梁抗震性能提出严峻挑战。据统计，我国高铁线路中桥梁占比高达60%-80%^[1]，其抗震安全直接关乎行车平稳性与灾后快速恢复能力。因此，研发适用于高烈度地震区高铁轨道-桥梁系统的新型减隔震技术^[2]，成为亟待突破的工程难题。

Figure 1.

图1-2 西南地区的高铁桥梁系统

Figure 2.

图1-3 中国震源分布图

本文提出一种新型开缝钢板剪切阻尼器，通过理论推导、数值模拟与系统集成方法，研究其在高烈度地震区高铁桥梁中的抗震效能。主要贡献包括：1）设计兼具防屈曲与易更换特性的开缝钢板阻尼器，采用有限元分析软件对其性能进行了模拟；2）挑选了地震动验证了其在地震能量耗散与结构响应控制中的有效性。

2 新型带缝剪切阻尼器设计与力学性能研究

2.1 开缝钢板阻尼器的基本构造及力学原理

开缝钢板阻尼器是一种基于剪切变形耗能原理设计的金属阻尼器，其主体由Q235钢材焊接而成，核心组件包括三块带矩形开缝的耗能片、防屈曲垫板及外部角钢约束框架（图2-1）。耗能片作为主要工作单元，通过水平剪切变形吸收地震能量；垫板布置于相邻耗能片之间，厚度略大于耗能片以预留变形间隙，防止面外屈曲并减少摩擦干扰；角钢框架焊接于耗能片组外侧，通过侧向刚度增强整体稳定性。该阻尼器的模块化设计允许通过增减耗能片数量灵活调节承载力，满足不同抗震需求。

从力学响应分区来看，耗能片可划分为开缝区与非开缝区。非开缝区高宽比（h/b）较低（通常小于2），在外部荷载作用下以纯剪切变形为主，应力分布均匀；开缝区高宽比显著增大（通常大于3），端部因弯矩集中形成塑性铰，呈现弯剪耦合变形机制，成为耗能核心区域。

Figure 3.

Figure 4.

2.2 开缝钢板阻尼器的滞回性能研究

为验证理论模型的可靠性，采用Abaqus软件建立精细化三维有限元模型。首先依据几何尺寸建立耗能片、垫板与角钢的实体模型，通过平移装配形成完整阻尼器；材料本构采用Q235钢的双线性随动强化模型（弹性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.3，屈服强度f_y=235 MPa，硬化比2%）；接触设置中，耗能片间定义法向硬接触与切向无摩擦行为以模拟垫板隔离作用，角钢与耗能片采用绑定约束等效焊接连接，通过区分主平面（角钢内侧）与次平面（耗能片边缘）避免约束冗余；网格划分经收敛性验证后选定全局尺寸为1.5倍板厚（误差<3%）。

在边界条件设置中，固定阻尼器底面所有自由度，顶面耦合至参考点施加Z向往复位移荷载（图2-2）。加载制度采用渐增位移循环模式，峰值位移从1mm逐步增至60mm，每级循环两次以覆盖弹性、屈服及强化阶段。数值模拟结果显示，阻尼器的力-位移滞回曲线呈规则菱形，无捏缩现象，等效阻尼比ξeq达25%~30%，累积耗能Ed随位移幅值呈二次增长，60mm时达1.2×105 J。塑性应变主要集中于开缝端部，最大等效塑性应变（PEEQ）为0.15，低于Q235钢的断裂阈值（0.2），表明其具备稳定的低周疲劳性能。

Figure 5.

图2-3 渐增位移循环加载曲线图

3 高铁轨道-桥梁系统地震响应分析

3.1 高铁轨道-桥梁-阻尼器系统模型构建与地震动输入

高速铁路轨道-桥梁系统的抗震性能评估需综合考虑轨道与桥梁的复杂耦合效应。该系统由CRTS II型无砟轨道与5跨32.6 m简支梁桥组成，涵盖钢轨、扣件、轨道板、支座等关键部件，其分层结构与力学传递机制通过精细化有限元建模实现。为研究阻尼器的减震效能，本文将开缝钢板阻尼器简化为非线性弹簧，形成轨道-桥梁-阻尼器耦合系统。

地震动输入从PEER数据库选取40条FEMA P-695推荐记录，涵盖近断层脉冲与远场地震动。采用平均谱比调幅法将反应谱匹配中国规范目标谱（8度设防，II类场地），调幅后PGA均值0.47g，确保输入地震动的代表性与分析可靠性。

3.2 关键构件地震响应分析

Figure 6.

支座作为桥梁传力的关键节点，其变形量直接反映地震能量的输入与耗散效率。对于固定支座，阻尼器的引入使其峰值变形量平均降低29.13%，其中某支座从104.48 mm降至68.66 mm，降幅达34.29%。滑动支座的响应降幅更为显著（平均34.12%），其平均变形量（50.56 mm）低于固定支座（52.81 mm）。这一差异源于滑动支座的摩擦耗能与阻尼器的协同作用，进一步分散了地震能量，验证了滑动支座在减震系统中的适配优势。

图3-1 固定支座桥台变形量图

主梁跨中作为桥梁的力学薄弱点，其峰值变形量从120.89 mm降至102.71 mm（降幅15%）。阻尼器通过耗散地震能量，显著抑制了主梁的弯曲振动模态，表明其对上部结构的保护效能。轨道系统的横向变形分析显示，阻尼器使轨道中部峰值变形量从120.86 mm降至102.86 mm（降幅14.9%），且变形分布趋于均匀。这一现象与阻尼器对桥梁整体刚度的提升密切相关，轨道纵向约束力的优化有效降低了局部应力集中风险。

桥墩变形量在桥轨系统中平均增加62.97%, 从12.34 mm增至22.38 mm（增幅81.34%）。尽管绝对变形量仍远低于规范限值（<30 mm），但其增幅揭示了阻尼器的能量转移机制——通过将部分地震能量引导至桥墩，减轻了上部结构的动力响应。剪力齿槽的响应呈现空间非均匀性，变形量有降低有增加，可能与阻尼器布置引起的局部应力重分布有关，需进一步优化参数以平衡约束效应。

扣件作为轨道与桥梁的连接枢纽，其变形量变化反映了梁轨相互作用的调整。桥轨系统中桥梁区段的扣件峰值变形量显著降低（从58.2 mm降至42.7 mm），而路基连接处降幅较小。桥梁区段的变形量差异显著，峰值降低约26.7%，而路基区段降幅不足5%。这一空间分布特征表明，阻尼器主要通过抑制桥梁整体振动降低扣件动态剪切需求，但对路基-桥梁过渡区的局部约束效应有限，需结合端刺或挡块加固以提升全系统性能。

轨道变形量沿桥长呈抛物线分布，峰值位于跨中区域。阻尼器使曲线整体下移，且峰部斜率减小，说明其对桥梁弯曲振动的抑制作用降低了轨道纵向应变梯度，有利于延长轨道部件疲劳寿命。变形集中发生在100-400m之间，阻尼器使轨道中部变形量减少18.007 mm（降幅14.90%），而桥梁两端降幅较小，表明阻尼器对跨中区域的调控效果更为显著。

4 结论

本文聚焦于高铁轨道桥梁系统抗震问题，提出了一种开缝钢板阻尼器，通过有限元软件进行建模，分析其力学性能，探究了不含阻尼器与含有阻尼器的高铁轨道桥梁系统的地震相应。主要结论如下：

(1)提出了一种带缝钢板阻尼器，在有限元软件中对其进行建模，展开了有限元分析，得出其滞回性能。滞回曲线收敛且图形呈现明显的菱形形状，说明该阻尼器的滞回性能优良，可以用于高铁轨道桥梁抗震。

(2)筛选原始地震动记录，将地震动记录导入有限元模型之中，得出含有阻尼器与不含有阻尼器的桥梁轨道系统动力响应，选取关键部件对其变形量进行分析。结果表明，带缝钢板阻尼器能有效降低主梁、固定支座、轨道板等构件的地震响应。

参考文献

[2]魏周博. 桥梁抗震设计要点和减隔震技术的应用 [J]. 砖瓦, 2021, (08): 111-112. DOI:10.16001/j.cnki.1001-6945.2021.08.050.

[3].石岩,王东升,韩建平,等. 桥梁减隔震技术的应用现状与发展趋势 [J]. 地震工程与工程振动, 2017, 37 (05): 118-128. DOI:10.13197/j.eeev.2017.05.118.shiy.014.

• [1].SU M, DAI G, MARXS, 等. A Brief Review of Developments and Challenges for High-speed Rail Bridges in China and Germany[J/OL]. Structural Engineering International, 2019, 29(1): 160-166.
• [4].孙文涛,李轲. 铅芯橡胶支座在桥梁减隔震中的应用 [J]. 科技资讯, 2020, 18 (35): 66-68.DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2006-5042-1281.
• [5].黄宇辰. FPS 在高速铁路简支梁桥中的适用性研究[D]. 石家庄铁道大学, 2016.
• [6].王宝夫,韩强,杜修力. 滑动摩擦支座隔震桥梁地震反应分析 [J]. 土木工程学报, 2016, 49 (S2): 85-90. DOI:10.15951/j.tmgcxb.2016.s2.015.
• [7].尹新生,段泓峥. 浅谈阻尼器的发展与分类 [J]. 河南建材, 2019, (04): 314-315. DOI:10.16053/j.cnki.hnjc.2019.04.181.
• 作者简介： 陆建利（1980.12-）,男,汉族,高级工程师职称,研究方向:桥梁专业