鄭曉龍 曾永平 游勵(lì)暉 樊啟武

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

鐵路橋梁減震卡榫的設(shè)計(jì)與應(yīng)用性能研究

鄭曉龍 曾永平 游勵(lì)暉 樊啟武

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

為了探索有效限制縱向隔震橋梁在中小地震作用下的位移以及大震下不發(fā)生落梁和碰撞的方法，文章提出并探討了由減震卡榫裝置和摩擦擺式支座組成組合隔震支座體系的解決方案。結(jié)果表明：減震卡榫裝置能夠提供橫向、縱向和豎向剛度，形成由摩擦擺支座-金屬阻尼器-橋墩底塑性鉸組成的三級(jí)減震耗能體系，且具有限位功能，中小震下可有效限制主梁位移；與摩擦擺式支座組合形成減震支座體系后，能有效地提高體系耗能能力，保護(hù)橋梁上部結(jié)構(gòu)不發(fā)生碰撞和落梁等嚴(yán)重震害；相對(duì)于傳統(tǒng)摩擦擺支座，組合減震支座體系在近斷層地震區(qū)域鐵路橋梁也適用。

摩擦擺支座； 減震卡榫； 擬靜力試驗(yàn)

常規(guī)的橋梁減隔震支座是橋梁抗震系統(tǒng)耗能部位，也是最為薄弱部位，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的慣性力大于橋梁支座的強(qiáng)度時(shí)，支座錨固螺栓拔出剪斷，活動(dòng)支座脫落及支座本身破壞，導(dǎo)致發(fā)生梁體碰撞[1]。單純依賴支座位移來(lái)耗能可能會(huì)引發(fā)落梁等嚴(yán)重震害，且上部結(jié)構(gòu)地震力無(wú)法有效傳遞到下部結(jié)構(gòu)，造成下部結(jié)構(gòu)材料浪費(fèi)。合理設(shè)置減隔震裝置，在降低地震力的同時(shí)，還可以調(diào)整地震力在下部結(jié)構(gòu)間的分配，使整個(gè)體系的受力分配更趨合理。摩擦擺式支座是較為常用的一種減隔震裝置，重量輕、等效阻尼比大，具有正常支座功能與減隔震功能分離的優(yōu)點(diǎn)，但摩擦擺支座隔震系統(tǒng)在鐵路橋梁上的應(yīng)用存在諸多缺陷。綜合上述，摩擦擺減隔震支座在鐵路橋梁的減隔震應(yīng)用上具有一定的局限性[2-3]。為了探索有效限制縱向隔震橋梁在中小地震作用下的位移，以及大震下不發(fā)生落梁和碰撞的方法，本文提出了由減震卡榫和摩擦擺式支座組成組合隔震支座的解決方案，其中支座承受橋梁豎向荷載，滿足橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)功能，減震卡榫可適應(yīng)結(jié)構(gòu)溫度變形，在橋梁正常運(yùn)營(yíng)工況下不起作用，地震情況下耗能減震，并起到防落梁作用[4]。

1 構(gòu)造形式與力學(xué)性能

1.1 構(gòu)造形式

減震卡榫裝置應(yīng)能夠滿足梁體在一般沖擊荷載和地震下有效限制橋梁橫向、豎向、縱向位移，保證減震卡榫裝置在大震時(shí)發(fā)生屈服耗能，且能有效提高下部結(jié)構(gòu)受力，又不至于增加橋墩下部結(jié)構(gòu)震害，中小地震時(shí)起到保護(hù)限位作用，同時(shí)保證摩擦擺支座的隔震作用，合理選擇卡榫的屈服強(qiáng)度以及間隙間距是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。為保證裝置的地震耗能能力，采用高延性的軟鋼鍛件，將軟鋼鍛后熱處理，再數(shù)控加工成形。在發(fā)生變形時(shí)，能耗散部分地震或其它沖擊荷載的能量，其塑性鉸地震循環(huán)次數(shù)可達(dá)數(shù)十次，具備水平和豎向減震耗能功效，能實(shí)現(xiàn)防落梁功能；安裝簡(jiǎn)單方便，同時(shí)易于檢查、維修和更換。其主要構(gòu)造及橋梁上布置位置如圖1所示。

圖1 卡榫裝置及橋梁上的安裝位置

1.2 設(shè)計(jì)與計(jì)算原理

間隙金屬阻尼器中的下部耗能桿(下稱卡榫)采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念，盡可能最大化塑性鉸長(zhǎng)度，達(dá)到耗能減震目的。在地震作用下，結(jié)構(gòu)的塑形和破壞都集中在該裝置上，而不會(huì)出現(xiàn)橋梁其他部位的損傷。在常遇地震和設(shè)計(jì)地震下，套筒內(nèi)弧形彈性鋼板受擠壓后屈服，能夠同時(shí)消耗橫向和豎向地震力；彈性墊緩沖了套筒和減震卡榫的碰撞沖擊，在罕遇地震作用下，卡榫在其下部錐柱構(gòu)造段上形成塑性鉸，實(shí)現(xiàn)耗能。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)要保證這種阻尼器還具備水平兩向和豎向的減震能耗功效。由國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)研究成果可知，各種軟鋼類彈塑性耗能器的滯回性能相近，可以采用相同的恢復(fù)力計(jì)算模型。彈塑性耗能器的恢復(fù)力模型主要包括理想彈塑性模型、雙線性強(qiáng)化模型和Ramberg-osgood 模型，其中最理想的彈塑性耗能器數(shù)學(xué)模型是Ramberg-osgood模型，本裝置的恢復(fù)力模型簡(jiǎn)化為雙線型強(qiáng)化模型，結(jié)構(gòu)可按純彎曲時(shí)的正應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算，結(jié)合彈塑性力學(xué)分析彈塑性后屈服現(xiàn)象，并對(duì)塑性加載階段進(jìn)行研究[5]。當(dāng)梁體的最外層纖維的應(yīng)力達(dá)到材料的屈服應(yīng)力時(shí)所能承受的最大彎矩稱為彈性極限彎矩：

(1)

式中：Ms——梁截面的彈性極限彎矩；σs——梁體材料的屈服應(yīng)力；b——矩形截面的寬；h——矩形截面的高；W——截面的抗彎截面模量。

對(duì)應(yīng)的梁體的曲率：

Rs=Ms/EI=2σs/Eh

(2)

式中：Rs——梁體所受彎矩達(dá)到其彈性極限彎矩時(shí)的曲率；

E——梁體材料的彈性模量；

I——梁截面的慣性矩。

(3)

(4)

式中y為矩形截面高度方向的坐標(biāo)，原點(diǎn)為截面高度的中心位置。

對(duì)耗能卡榫的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先確定其截面的形式。常用截面形狀系數(shù)η的取值為：圓環(huán)η=1.25，矩形η=1.5，圓形η=1.5，菱形η=2.0。菱形截面的截面形狀系數(shù)最大，若采用該截面，卡榫的加工難度較大；圓環(huán)截面的截面形狀系數(shù)較小，且若采用該截面，卡榫的加工難度大；圓形截面和矩形截面的截面形狀系數(shù)相同，考慮加工因素，采用圓形截面為宜。采用圓形截面時(shí)，屈服彎矩：

(5)

圓形截面的實(shí)際彎矩：

(6)

式中r為圓形截面的截面半徑。

圓形截面名義彎矩與彈性屈服彎矩的關(guān)系:

(7)

式中Ke值等于卡榫裝置所選鋼材屈服平臺(tái)的最大應(yīng)變與屈服應(yīng)變的比值，表征是鋼材屈服平臺(tái)的長(zhǎng)度。對(duì)應(yīng)卡榫屈服、極限剪力都可按：P=Ms/L計(jì)算。根據(jù)多組試驗(yàn)結(jié)果，偏于設(shè)計(jì)保守考慮，在實(shí)橋有限元分析時(shí)，極限延性可取為20倍屈服位移。鋼構(gòu)件強(qiáng)化剛度系數(shù)一般取1/25。

2 有限元分析和擬靜力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證理論公式的準(zhǔn)確性，精確計(jì)算構(gòu)件的屈服強(qiáng)度和屈服點(diǎn)，采用通用有限元計(jì)算程序ANSYS進(jìn)行仿真分析，采用實(shí)體單元和隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則進(jìn)行模擬，主要模型和滯回曲線結(jié)果如圖2所示。通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果選取合適的鋼材來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)加工，計(jì)算了3種不同屈服點(diǎn)鋼材構(gòu)件的屈服強(qiáng)度和位移，如表1所示。

圖2 ANSYS計(jì)算模型及滯回曲線

屈服強(qiáng)度/MPa屈服力/t屈服位移/mm極限力/t極限位移/mm2965．93．77．81723226．44．38．15752104．253．15．7671

試制試驗(yàn)是驗(yàn)證卡榫耗能效果最準(zhǔn)確、有效的手段。開(kāi)展了3批次試制試驗(yàn)，共進(jìn)行了12個(gè)構(gòu)件的屈服強(qiáng)度、極限延性、極限強(qiáng)度和低周疲勞等試驗(yàn)。采用試驗(yàn)加載儀器為MTS動(dòng)態(tài)加載疲勞機(jī)，展示3組構(gòu)件計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可知，構(gòu)件屈服強(qiáng)度、屈服位移及耗能滯回曲線計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，構(gòu)件滯回曲線飽滿，延性高，低周疲勞強(qiáng)度高，地震下阻尼耗能循環(huán)次數(shù)可達(dá)70次以上，試驗(yàn)加載過(guò)程及試驗(yàn)滯回曲線如圖3所示。

圖3 卡榫耗能試驗(yàn)及滯回曲線

3 實(shí)橋應(yīng)用檢算

選取典型鐵路橋梁作為建模依據(jù)， 采用三維框架結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)靜力分析通用軟件UC-win/FRAME(3D)軟件進(jìn)行模擬，橋墩的非線性通過(guò)纖維單元模型來(lái)模擬。在纖維單元中，每個(gè)構(gòu)件沿其縱向被分割成若干單元，而每個(gè)單元的特性由橫斷面來(lái)代表，其橫斷面又進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分割形成若干纖維束，各纖維束可以選擇不同的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[6-7]。計(jì)算后，相應(yīng)纖維可根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及損傷準(zhǔn)則輸出損傷指標(biāo)和損傷等級(jí)，其中鋼筋的損傷等級(jí)分為4個(gè)等級(jí)，分別為壓縮屈服、拉伸屈服、容許拉伸和斷裂，混凝土損傷等級(jí)優(yōu)先順序?yàn)椋毫芽p<輕微<終極Ⅰ<終極Ⅱ<破壞。分別建立采用普通摩擦擺支座的簡(jiǎn)支梁橋模型和采用組合隔震支座的簡(jiǎn)支梁橋模型，選擇20條來(lái)自1999年9月21日臺(tái)灣集集地震的典型加速度記錄進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，間隙金屬阻尼器骨架曲線如圖4所示。

在地震波激勵(lì)下采用摩擦擺橋墩損傷情況和金屬阻尼器的滯回曲線分別如圖5、圖6所示。可以看到，隨著間隙金屬阻尼器的引入，橋梁體系水平剛度增加，限位能力增強(qiáng)，橋梁上部結(jié)構(gòu)地震荷載就會(huì)更多地傳遞到橋墩，發(fā)揮了橋墩的強(qiáng)度，并避免了主梁的過(guò)大位移和碰撞，整個(gè)體系耗能效果比摩擦擺結(jié)構(gòu)提高10%左右[8]。

圖4 阻尼器的雙折線骨架曲線

圖5 采用摩擦擺支座的橋墩地震損傷情況

圖6 金屬阻尼器滯回曲線

4 結(jié)論

通過(guò)理論推導(dǎo)、計(jì)算分析和試驗(yàn)?zāi)M可知：

(1)減震卡榫裝置能夠提供橫向、縱向和豎向剛度，形成三級(jí)減震耗能體系，且具有限位功能，中小震下可有效限制主梁位移；

(2)與摩擦擺式支座組合形成減震支座體系后，能有效地提高體系耗能能力，保護(hù)橋梁上部結(jié)構(gòu)不發(fā)生碰撞和落梁等嚴(yán)重震害；

(3)相對(duì)于傳統(tǒng)摩擦擺支座，組合減震支座體系在近斷層地震區(qū)域鐵路橋梁也適用。

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(編輯：蘇玲梅 劉彥琳)

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

鄭曉龍(1976-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。

1674—8247(2016)06—0030—04

U24

A