铁路桥梁减震卡榫的设计与应用性能研究

郑晓龙 曾永平 游励晖 樊启武

(中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031)

铁路桥梁减震卡榫的设计与应用性能研究

郑晓龙 曾永平 游励晖 樊启武

(中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031)

为了探索有效限制纵向隔震桥梁在中小地震作用下的位移以及大震下不发生落梁和碰撞的方法，文章提出并探讨了由减震卡榫装置和摩擦摆式支座组成组合隔震支座体系的解决方案。结果表明：减震卡榫装置能够提供横向、纵向和竖向刚度，形成由摩擦摆支座-金属阻尼器-桥墩底塑性铰组成的三级减震耗能体系，且具有限位功能，中小震下可有效限制主梁位移；与摩擦摆式支座组合形成减震支座体系后，能有效地提高体系耗能能力，保护桥梁上部结构不发生碰撞和落梁等严重震害；相对于传统摩擦摆支座，组合减震支座体系在近断层地震区域铁路桥梁也适用。

摩擦摆支座； 减震卡榫； 拟静力试验

常规的桥梁减隔震支座是桥梁抗震系统耗能部位，也是最为薄弱部位，当上部结构传来的惯性力大于桥梁支座的强度时，支座锚固螺栓拔出剪断，活动支座脱落及支座本身破坏，导致发生梁体碰撞[1]。单纯依赖支座位移来耗能可能会引发落梁等严重震害，且上部结构地震力无法有效传递到下部结构，造成下部结构材料浪费。合理设置减隔震装置，在降低地震力的同时，还可以调整地震力在下部结构间的分配，使整个体系的受力分配更趋合理。摩擦摆式支座是较为常用的一种减隔震装置，重量轻、等效阻尼比大，具有正常支座功能与减隔震功能分离的优点，但摩擦摆支座隔震系统在铁路桥梁上的应用存在诸多缺陷。综合上述，摩擦摆减隔震支座在铁路桥梁的减隔震应用上具有一定的局限性[2-3]。为了探索有效限制纵向隔震桥梁在中小地震作用下的位移，以及大震下不发生落梁和碰撞的方法，本文提出了由减震卡榫和摩擦摆式支座组成组合隔震支座的解决方案，其中支座承受桥梁竖向荷载，满足桥梁转动功能，减震卡榫可适应结构温度变形，在桥梁正常运营工况下不起作用，地震情况下耗能减震，并起到防落梁作用[4]。

1 构造形式与力学性能

1.1 构造形式

减震卡榫装置应能够满足梁体在一般冲击荷载和地震下有效限制桥梁横向、竖向、纵向位移，保证减震卡榫装置在大震时发生屈服耗能，且能有效提高下部结构受力，又不至于增加桥墩下部结构震害，中小地震时起到保护限位作用，同时保证摩擦摆支座的隔震作用，合理选择卡榫的屈服强度以及间隙间距是设计关键。为保证装置的地震耗能能力，采用高延性的软钢锻件，将软钢锻后热处理，再数控加工成形。在发生变形时，能耗散部分地震或其它冲击荷载的能量，其塑性铰地震循环次数可达数十次，具备水平和竖向减震耗能功效，能实现防落梁功能；安装简单方便，同时易于检查、维修和更换。其主要构造及桥梁上布置位置如图1所示。

图1 卡榫装置及桥梁上的安装位置

1.2 设计与计算原理

间隙金属阻尼器中的下部耗能杆(下称卡榫)采用等强度设计理念，尽可能最大化塑性铰长度，达到耗能减震目的。在地震作用下，结构的塑形和破坏都集中在该装置上，而不会出现桥梁其他部位的损伤。在常遇地震和设计地震下，套筒内弧形弹性钢板受挤压后屈服，能够同时消耗横向和竖向地震力；弹性垫缓冲了套筒和减震卡榫的碰撞冲击，在罕遇地震作用下，卡榫在其下部锥柱构造段上形成塑性铰，实现耗能。同时，设计时要保证这种阻尼器还具备水平两向和竖向的减震能耗功效。由国内外的试验研究成果可知，各种软钢类弹塑性耗能器的滞回性能相近，可以采用相同的恢复力计算模型。弹塑性耗能器的恢复力模型主要包括理想弹塑性模型、双线性强化模型和Ramberg-osgood 模型，其中最理想的弹塑性耗能器数学模型是Ramberg-osgood模型，本装置的恢复力模型简化为双线型强化模型，结构可按纯弯曲时的正应力计算公式计算，结合弹塑性力学分析弹塑性后屈服现象，并对塑性加载阶段进行研究[5]。当梁体的最外层纤维的应力达到材料的屈服应力时所能承受的最大弯矩称为弹性极限弯矩：

(1)

式中：Ms——梁截面的弹性极限弯矩；σs——梁体材料的屈服应力；b——矩形截面的宽；h——矩形截面的高；W——截面的抗弯截面模量。

对应的梁体的曲率：

Rs=Ms/EI=2σs/Eh

(2)

式中：Rs——梁体所受弯矩达到其弹性极限弯矩时的曲率；

E——梁体材料的弹性模量；

I——梁截面的惯性矩。

(3)

(4)

式中y为矩形截面高度方向的坐标，原点为截面高度的中心位置。

对耗能卡榫的结构形式进行设计，首先确定其截面的形式。常用截面形状系数η的取值为：圆环η=1.25，矩形η=1.5，圆形η=1.5，菱形η=2.0。菱形截面的截面形状系数最大，若采用该截面，卡榫的加工难度较大；圆环截面的截面形状系数较小，且若采用该截面，卡榫的加工难度大；圆形截面和矩形截面的截面形状系数相同，考虑加工因素，采用圆形截面为宜。采用圆形截面时，屈服弯矩：

(5)

圆形截面的实际弯矩：

(6)

式中r为圆形截面的截面半径。

圆形截面名义弯矩与弹性屈服弯矩的关系:

(7)

式中Ke值等于卡榫装置所选钢材屈服平台的最大应变与屈服应变的比值，表征是钢材屈服平台的长度。对应卡榫屈服、极限剪力都可按：P=Ms/L计算。根据多组试验结果，偏于设计保守考虑，在实桥有限元分析时，极限延性可取为20倍屈服位移。钢构件强化刚度系数一般取1/25。

2 有限元分析和拟静力试验

为了验证理论公式的准确性，精确计算构件的屈服强度和屈服点，采用通用有限元计算程序ANSYS进行仿真分析，采用实体单元和随动强化准则进行模拟，主要模型和滞回曲线结果如图2所示。通过有限元计算结果选取合适的钢材来进行试验加工，计算了3种不同屈服点钢材构件的屈服强度和位移，如表1所示。

图2 ANSYS计算模型及滞回曲线

屈服强度/MPa屈服力/t屈服位移/mm极限力/t极限位移/mm2965．93．77．81723226．44．38．15752104．253．15．7671

试制试验是验证卡榫耗能效果最准确、有效的手段。开展了3批次试制试验，共进行了12个构件的屈服强度、极限延性、极限强度和低周疲劳等试验。采用试验加载仪器为MTS动态加载疲劳机，展示3组构件计算结果和试验结果。对比计算结果与试验结果可知，构件屈服强度、屈服位移及耗能滞回曲线计算结果与试验结果相符，构件滞回曲线饱满，延性高，低周疲劳强度高，地震下阻尼耗能循环次数可达70次以上，试验加载过程及试验滞回曲线如图3所示。

图3 卡榫耗能试验及滞回曲线

3 实桥应用检算

选取典型铁路桥梁作为建模依据， 采用三维框架结构的非线性动静力分析通用软件UC-win/FRAME(3D)软件进行模拟，桥墩的非线性通过纤维单元模型来模拟。在纤维单元中，每个构件沿其纵向被分割成若干单元，而每个单元的特性由横断面来代表，其横断面又进行网络分割形成若干纤维束，各纤维束可以选择不同的应力应变关系[6-7]。计算后，相应纤维可根据应力应变关系以及损伤准则输出损伤指标和损伤等级，其中钢筋的损伤等级分为4个等级，分别为压缩屈服、拉伸屈服、容许拉伸和断裂，混凝土损伤等级优先顺序为：裂缝<轻微<终极Ⅰ<终极Ⅱ<破坏。分别建立采用普通摩擦摆支座的简支梁桥模型和采用组合隔震支座的简支梁桥模型，选择20条来自1999年9月21日台湾集集地震的典型加速度记录进行计算对比分析，间隙金属阻尼器骨架曲线如图4所示。

在地震波激励下采用摩擦摆桥墩损伤情况和金属阻尼器的滞回曲线分别如图5、图6所示。可以看到，随着间隙金属阻尼器的引入，桥梁体系水平刚度增加，限位能力增强，桥梁上部结构地震荷载就会更多地传递到桥墩，发挥了桥墩的强度，并避免了主梁的过大位移和碰撞，整个体系耗能效果比摩擦摆结构提高10%左右[8]。

图4 阻尼器的双折线骨架曲线

图5 采用摩擦摆支座的桥墩地震损伤情况

图6 金属阻尼器滞回曲线

4 结论

通过理论推导、计算分析和试验模拟可知：

(1)减震卡榫装置能够提供横向、纵向和竖向刚度，形成三级减震耗能体系，且具有限位功能，中小震下可有效限制主梁位移；

(2)与摩擦摆式支座组合形成减震支座体系后，能有效地提高体系耗能能力，保护桥梁上部结构不发生碰撞和落梁等严重震害；

(3)相对于传统摩擦摆支座，组合减震支座体系在近断层地震区域铁路桥梁也适用。

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(编辑：苏玲梅 刘彦琳)

Research on Design and Application Properties of Railway Bridge Damping Tenon

ZHENG Xiaolong ZENG Yongping YOU Lihui FAN Qiwu

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd, Chengdu 610031,China)

In order to explore effectively methods of limiting the longitudinal seismic isolation of bridges under small earthquake displacement and preventing beams falling and collision in earthquake, a damping tenon device and the friction pendulum bearings composed of combined isolation system scheme are put forward and discussed. The results show that the Damping tenon device can provide lateral, longitudinal and vertical stiffness, the formation of three level energy dissipation system and a limiting function under small earthquakes can be effectively limits the displacement of main beam. Damping bearing system with friction pendulum bearing combination can effectively improve the energy dissipation capacity of the system, the protection of bridge upper structure does not occur collision and falling beams and other serious damage. Compared with the traditional friction pendulum bearing, the combined vibration damping bearing system is also suitable for the railway bridge in the near-fault earthquake area.

friction pendulum bearings; damping tenon; simulated static test

2016-05-10

郑晓龙(1976-)，男，教授级高级工程师。

1674—8247(2016)06—0030—04

U24

A