辛 兵

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

鐵路橋梁減隔震支座設(shè)計及試制

辛 兵

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

結(jié)合包西鐵路黃河特大橋的抗震需要,針對鐵路橋梁減隔震支座進行設(shè)計試驗研究,開發(fā)了既能滿足鐵路橋梁使用要求,又能減小地震力的減隔震支座。試制的滑動支座、固定支座試驗表明,支座的滯回曲線豐滿,具有較大的等效阻尼比,減隔震能力良好;支座的滯回曲線比較規(guī)則,重復性很好,能夠滿足設(shè)計要求的屈后剛度。減隔震支座的使用,不僅能解決高烈度震區(qū)的橋梁抗震要求,而且能有效降低工程造價,具有極大的推廣價值。

鐵路橋梁;抗震;雙球面;減隔震支座;滯回曲線;等效阻尼比

在橋梁減隔震研究方面,國內(nèi)外的研究主要是針對公路橋梁進行的。實際上鐵路橋梁剛度大,非常適用于減隔震設(shè)計,但采用減隔震設(shè)計后,又可能減小結(jié)構(gòu)剛度,使其正常使用受到影響。因此,研究既能滿足鐵路橋梁使用要求,又能減小地震力的減隔震技術(shù)及構(gòu)造措施是鐵路橋梁減隔震設(shè)計的關(guān)鍵。

結(jié)合包西鐵路黃河特大橋的實際工程應用,開展鐵路橋梁減隔震設(shè)計研究,開發(fā)了既能滿足鐵路橋梁使用要求又能減小地震力的減隔震支座。

1 工程概述

包西鐵路黃河特大橋是包西通道上的重點工程和控制工程,橋梁全長3 918.06 m,橋跨布置為:主橋8-106 m簡支鋼桁梁,北岸引橋3-32 m預應力混凝土簡支T梁+1-48 m預應力混凝土簡支箱梁+3-32 m預應力混凝土簡支T梁+29-48 m預應力混凝土簡支箱梁,南岸引橋20-48 m預應力混凝土簡支箱梁+5-32 m預應力混凝土簡支T梁+1-48 m預應力混凝土簡支箱梁+3-32 m預應力混凝土簡支T梁,全橋共72個橋墩2個橋臺。

黃河特大橋48 m梁位于8度高烈度地震地區(qū),按《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006),其罕遇地震加速度峰值為0.38g;按《包頭-神木跨黃河大橋工程場地地震安全性評價報告》提供的加速度峰值為0.36g。經(jīng)過多次樁基礎(chǔ)抗震設(shè)計方案比選,最終樁基礎(chǔ)方案采用9根φ1.5 m樁,但在罕遇地震作用下,橋梁基礎(chǔ)不能滿足抗震要求。如采用增加橋梁樁基礎(chǔ)的數(shù)量和直徑,將增加橋墩基礎(chǔ)的設(shè)計難度,同時也大大增加了工程造價。因此建議黃河特大橋48 m引橋采用雙曲面減隔震支座,進行減隔震設(shè)計,減小上部結(jié)構(gòu)傳到橋墩的地震水平。

2 雙曲面球型減隔震支座的工作原理

FPI是將滑動支座和鐘擺的概念相結(jié)合構(gòu)成一種新的隔震裝置,其滑動面是曲面,通過結(jié)構(gòu)自重提供所需的自復位能力,幫助上部結(jié)構(gòu)回到原來的位置,圖1給出其構(gòu)造簡圖。它包括一個具有球形曲面的滑塊和球形鑄鋼滑動曲面。鑄鋼曲面與滑塊曲面具有相同的曲率半徑,可以很好地相切,在豎向荷載作用下,曲面壓應力均勻。支座可以在任何方向滑動,其尺寸主要由最大設(shè)計位移控制。

圖1 FPI減隔震裝置

由于FPI支座構(gòu)造簡單、耐久性好,并具有自恢復能力,在美國、加拿大等國的橋梁減隔震中得到了廣泛應用。

雙曲面球型減隔震支座的減隔震原理與FPI支座的工作原理相類似,是將球型滑動支座的滑動面改為曲面而發(fā)展成的一種隔震支座,如圖2所示。它包括一個具有雙球面的球體、球形鑄鋼滑動曲面和球形鑄鋼轉(zhuǎn)動面。鑄鋼滑動曲面與球體滑動曲面具有相同的曲率半徑,可以很好地相切,在豎向荷載作用下,曲面壓應力均勻。支座可以在任何方向滑動,其尺寸主要由最大設(shè)計位移控制。通過結(jié)構(gòu)自重提供所需的自復位能力,幫助上部結(jié)構(gòu)回到原來的位置,利用一個簡單的鐘擺機理延長結(jié)構(gòu)的自振周期(圖3)。

雙曲面球形減隔震支座通過球形滑動面,能夠很好地消耗地震能量,具有如下優(yōu)點:

(1)減小梁體傳遞給橋墩的地震力,降低橋墩基礎(chǔ)的設(shè)計難度和工程造價;

(2)減隔震作用明顯,工作原理簡單明了,設(shè)計參數(shù)少而且便于控制和調(diào)整;

圖2 雙曲面球型減隔震支座

圖3 雙曲面球型減隔震支座工作原理

(3)支承凈高不大,設(shè)計上容易配合;

(4)豎向剛度和承載能力大;

(5)水平剛度及摩擦力均與豎向荷載成正比,因此剪心與質(zhì)心重合,結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應很小。

3 雙曲面球型減隔震支座的設(shè)計

3.1 構(gòu)造

(1)活動支座

活動支座由上支座板、中支座板、下支座板和頂盆組成,有轉(zhuǎn)動面、滑動面和平動面3個摩擦面。轉(zhuǎn)動面提供支座的轉(zhuǎn)角、滑動面提供支座抵消地震能量所需的位移、平動面提供活動正常運營條件下的活動要求。支座構(gòu)造見圖4。

圖4 活動支座構(gòu)造

(2)固定支座

固定支座由上支座板、中支座板和下支座板組成,有轉(zhuǎn)動面和滑動面2個面組成。轉(zhuǎn)動面提供支座的轉(zhuǎn)角、滑動面提供支座抵消地震能量所需的位移。固定支座構(gòu)造見圖5。

圖5 固定支座構(gòu)造

3.2 滑動面設(shè)計

(1)設(shè)計參數(shù)

支座的回復力可按下式計算

式中,W為支座承受的豎向荷載,R為滑動曲面的曲率半徑,D為滑動水平位移,μ為滑動曲面摩擦系數(shù)。上式第一項是因承受質(zhì)量沿曲面滑動上升所產(chǎn)生的水平向恢復力,由此可知其屈后水平剛度為

從而隔震結(jié)構(gòu)的周期為

由上式可知,這類隔震結(jié)構(gòu)的周期與承受的質(zhì)量無關(guān)。公式(1)中第二項是滑動曲面滑動時產(chǎn)生的摩擦力。

關(guān)于該類隔震支座的等效線性化分析模型,其等效剛度為

等效阻尼比為

如果事先確定了隔震結(jié)構(gòu)的周期,則可由公式(7)得到這類隔震裝置的幾何尺寸為

因此,當隔震結(jié)構(gòu)周期為2 s時,隔震裝置的曲率半徑大約需為1 m。

當滑塊在曲面滑動時,其豎向上升的位移為

(2)設(shè)計計算

支座滑動后剛度取為2 000 kN/m,設(shè)計恒載為8 000 kN;設(shè)計位移為300 mm,摩擦系數(shù)μ≤0.03。

根據(jù)以上要求,計算出的支座參數(shù)見表1。

3.3 擋板設(shè)計

雙曲面球形減隔震支座要求在正常運營下,滑動曲面不發(fā)生位移,在發(fā)生地震時,滑動曲面通過位移消耗地震能量,保證結(jié)構(gòu)安全。設(shè)計時,在支座的四周設(shè)置了擋塊,擋塊按照水平力為豎向承載力的10%～ 12%設(shè)計,保證了正常運營條件下,如產(chǎn)生制動力、軌道力等時不發(fā)生位移,發(fā)生較大地震時擋塊剪斷,產(chǎn)生位移。

表1 支座設(shè)計參數(shù)

在長鋼軌作用力和多遇地震作用下,支座結(jié)構(gòu)不損壞,能有效限制上部結(jié)構(gòu)的位移,從而確保列車的安全運營。

包西鐵路黃河特大橋48 m梁固定墩上的長鋼軌縱向力如下:

伸縮力T1=144 kN/軌;

斷軌力T3=336 kN/軌;

制動力T4=470 kN/線;

多遇地震作用下的墩頂水平力為縱橋向2D0s= 2 790 kN、橫橋向2D0H=2 770 kN。

固定端上的支座布置方式為固定支座+橫向活動支座,活動端相應為縱向活動支座+多向活動支座。

正常使用狀態(tài)和發(fā)生較大地震需要減震支座大位移滑動臨界狀態(tài)下,每孔梁縱、橫向水平力各由2個支座承擔。

(1)順橋向水平力

組合1:2S4=1軌伸縮力+1線制動力+1軌斷軌力(主+附+特)=950 kN。

組合2:2S3=2軌伸縮力+1線制動力(主+附)= 758 kN。

組合3:2S2=4軌伸縮力+地震力(主+特) =1 971 kN。

最不利順橋向水平力S=986 kN。

(2)橫橋向水平力

組合1:2H1=列車搖擺力+地震力(特) =1 485 kN。

最不利橫橋向水平力H=743 kN。

(3)水平力閥值

支座設(shè)計承載力8 000 kN,最不利順橋向水平力為986 kN(13%),最不利橫橋向水平力為743 kN (9%),考慮材料力學性能的偏差,本橋減隔震支座的水平力閥值取支座設(shè)計承載力的10%～12%(即800～960 kN)為宜。

4 雙球面減隔震支座抗震性能試驗

4.1 試樣

根據(jù)提出的設(shè)計參數(shù)制作的兩件雙球面減隔震支座,分別為固定支座和滑動支座。

固定支座的設(shè)計要求包括:支座的設(shè)計豎向承載力為8 000 kN,支座高度為300 mm。設(shè)計固定支座的側(cè)向剪斷力960 kN,設(shè)計屈后剪切剛度為2 000 kN/m,屈后位移±300 mm。

滑動支座的設(shè)計要求包括:支座的設(shè)計豎向承載力為8 000 kN,支座高度為300 mm。要求支座的摩擦系數(shù)≤0.03,設(shè)計屈后剪切剛度為2 000 kN/m,屈后位移±300 mm。

圖6為整體支座的照片。

圖6 雙球面減隔震支座

4.2 試驗目的和內(nèi)容

由于地震對結(jié)構(gòu)的作用主要表現(xiàn)在水平方向,因此此次抗震性能研究主要考察的是支座水平方向的滯回性能和自恢復能力。試驗內(nèi)容包括:

(1)側(cè)向剪斷力試驗;

(2)豎向承載力試驗;

(3)水平回復力試驗;

(4)水平摩擦系數(shù)測定試驗。

4.3 試驗方法

(1)側(cè)向剪斷力試驗(表2)

表2 側(cè)向剪斷力試驗

(2)豎向承載力試驗(表3)

表3 豎向承載力試驗

(3)水平回復力試驗(表4)

表4 水平回復力試驗

(4)水平摩擦系數(shù)測定試驗(表5)

表5 水平摩擦系數(shù)測定試驗

4.4 試驗結(jié)果

4.4.1 固定支座試驗結(jié)果

(1)側(cè)向剪斷力試驗

固定支座兩側(cè)的側(cè)向剪斷力分別達到997.38 kN和1 224.63 kN,略大于設(shè)計固定支座的側(cè)向剪斷力960 kN。

(2)豎向承載力試驗

豎向承載力的試驗結(jié)果表明,設(shè)計荷載下固定支座的平均豎向壓縮變形為0.946 mm,為支座總高度的0.315%,小于1%,滿足要求。試驗結(jié)束后支座未發(fā)生破壞。

(3)水平回復力試驗

固定支座的水平向滯回曲線如圖7所示。

等效阻尼比和屈后剪切剛度的計算如表6所示。

表6 固定支座的等效阻尼比和屈后剛度測定結(jié)果

圖7 固定支座的水平荷載-位移曲線

固定支座試驗結(jié)論:

(1)該支座的側(cè)向剪斷力試驗滿足要求;

(2)該支座的豎向承載力試驗滿足要求;

(3)該支座的滯回曲線豐滿,具有比較大的等效阻尼比,減隔震能力良好;

(4)該支座的滯回曲線比較規(guī)則,重復性很好,達到了設(shè)計要求的屈后剛度;

(5)該支座具有足夠的水平位移變形量,滿足設(shè)計要求。

4.4.2 滑動支座試驗結(jié)果

(1)摩擦系數(shù)測定試驗

水平摩擦系數(shù)的測試結(jié)果見表7,測得的摩擦系數(shù)為0.007,小于0.03,滿足要求。

表7 順橋向水平摩擦系數(shù)

(2)豎向承載力試驗

豎向承載力的試驗結(jié)果表明,設(shè)計荷載下滑動支座的平均豎向壓縮變形為1.082 mm,為支座總高度的0.361%,小于1%,滿足要求。試驗結(jié)束后支座未發(fā)生破壞。

(3)水平回復力試驗

滑動支座的水平向滯回曲線如圖8所示。

圖8 滑動支座水平荷載位移曲線

等效阻尼比的計算如表8所示,可見該支座具有較大的等效阻尼,減隔震能力很好,試驗結(jié)果達到了設(shè)計要求。

___表8 滑動支座的等效阻尼比和屈后剪切剛度測定結(jié)果

滑動支座試驗結(jié)論:

(1)該支座的水平摩擦系數(shù)試驗滿足要求;

(2)該支座的豎向承載力試驗滿足要求;

(3)該支座的滯回曲線豐滿,具有比較大的等效阻尼比,減隔震能力良好;

(4)該支座的滯回曲線比較規(guī)則,重復性很好,達到了設(shè)計要求的屈后剛度;

(5)該支座具有足夠的水平位移變形量,滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

通過針對鐵路橋梁減隔震支座設(shè)計研究,開發(fā)了既能滿足鐵路橋梁使用要求,又能減小地震力的減隔震支座,并獲得了國家發(fā)明專利。試制的滑動支座、固定支座試驗表明,支座的滯回曲線豐滿,具有比較大的等效阻尼比,減隔震能力良好;支座的滯回曲線比較規(guī)則,重復性很好,能夠滿足設(shè)計要求的屈后剛度。

減隔震支座的使用,不僅能解決高烈度震區(qū)的橋梁抗震要求,而且能有效降低工程造價,具有極大的推廣價值。

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Design and Trial Production of Seismic Absorption and Isolation Bearings for Railway Bridge

XIN Bing
(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

In combination with the requirements on seismic resistance of a super major bridge on Yellow River on Baotou-Xi'an Railway,and in allusion to the seismic absorption and isolation bearings for railway bridge to do experiment and research,the new type of seismic absorption and isolation bearings were designed and developed,which not only can meet the operational requirements of railway bridge but also can reduce the seismic force effectively.Meanwhile,the experimental test for these trial-produced bearings was carried out,including both the sliding bearings and the fixed bearings.And then the experiment results show that,the hysteresis curve of the bearing is plump,with a larger equivalent damping ratio,so the ability of seismic absorption and isolation of these bearings are good.The results also show that,the regularity of the hysteresis curve of the bearing is better,with very good repeatability, so the design requirements of the yield stiffness can be satisfied.The author draws conclusion that,by using these seismic absorption and isolation bearings in high intensity earthquake region,not only the bridge seismic design issues can be solved,but also the project cost can be effectively reduced,so these bearings have very good popularization value.

railway bridge;seismic resistance;double spherical surface;seismic absorption and isolation bearings;hysteretic curve;equivalent damping ratio

U443.36

A

1004-2954(2013)03-0043-05

20121030

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2006G038)

辛 兵(1970—),男,高級工程師,1992年畢業(yè)于上海鐵道學院鐵道工程專業(yè),工程碩士。