一種鐵路橋梁球鉸式豎向限位器的研究與應(yīng)用

陳列，艾忠良，鐘洪軍，金怡新，呂娜

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031）

一種鐵路橋梁球鉸式豎向限位器的研究與應(yīng)用

陳列，艾忠良，鐘洪軍，金怡新，呂娜

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031）

針對(duì)研發(fā)的一種適用于高烈度地震區(qū)鐵路橋梁的豎向限位裝置——球鉸式豎向限位器，介紹了其工作原理及構(gòu)造特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法、力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果證明球鉸式豎向限位器的轉(zhuǎn)動(dòng)性能和承載力滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，對(duì)球鉸式豎向限位器進(jìn)行了全橋地震響應(yīng)分析，分析結(jié)果表明:在高烈度地震作用下，球鉸式豎向限位器可有效限制梁體“起跳”位移，從而起到防止上部結(jié)構(gòu)落梁的作用。

橋梁；防落梁；豎向限位；球鉸

隨著國內(nèi)外對(duì)豎向地震動(dòng)的廣泛關(guān)注和深入研究，橋梁領(lǐng)域也發(fā)現(xiàn)：在最大水平加速度峰值為0.1g和0.2g時(shí)，豎向地震動(dòng)對(duì)橋墩的地震響應(yīng)很??；而在最大水平加速度峰值為0.4g時(shí)，橋墩已進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，豎向地震動(dòng)對(duì)橋墩地震響應(yīng)的影響很大［1-2］。另有學(xué)者指出［3］，支座被剪斷后，在3項(xiàng)地震動(dòng)作用下，整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性發(fā)生了改變，梁體會(huì)發(fā)生較大的豎向位移。

我國在防落梁裝置及抗震措施方面，《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50111—2009）7.5.9條對(duì)9度地震區(qū)的橋梁規(guī)定：“除滿足8度要求外，尚應(yīng)滿足下列要求：①橋梁上部應(yīng)采用橫向連接可靠、整體性能良好的結(jié)構(gòu)形式；②上部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用豎向限位措施?！币?guī)范對(duì)8度地震區(qū)的橋梁要求除了設(shè)置橫向支擋外還要設(shè)置縱向支擋，故9度地震區(qū)橋梁應(yīng)綜合考慮設(shè)置縱、橫、豎三向防落梁措施。

目前縱、橫向防落梁的應(yīng)用較多［4］，但豎向防落梁［5］采用較多的是通過高強(qiáng)鏈條將梁體和橋墩相連的方式。這種方式的缺點(diǎn)是鏈條長(zhǎng)度不好控制，并且在豎向地震作用下梁體起跳后的回落會(huì)與橋墩發(fā)生撞擊，造成梁體和橋墩的損傷。因此，迫切需要研究出能適用于高烈度地震區(qū)的豎向限位器。本文以長(zhǎng)昆線9度地震區(qū)24 m簡(jiǎn)支梁為背景，研發(fā)出一種豎向限位裝置——球鉸式豎向限位器。

1　球鉸式豎向限位器的構(gòu)造特點(diǎn)及工作原理

球鉸式豎向限位器由預(yù)埋組件、底座、扣板、橡膠墊圈、活塞桿、套筒等組成，如圖1所示?；钊麠U的兩端設(shè)計(jì)為球面結(jié)構(gòu)，其與底座和扣板安裝后形成球鉸結(jié)構(gòu)以適應(yīng)橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)；限位板和活塞桿之間填塞橡膠墊圈以緩沖梁回落時(shí)與墩的撞擊；2個(gè)活塞桿設(shè)置螺紋通過套筒連接，這種結(jié)構(gòu)使得球鉸式限位器的高度可人工調(diào)整，且整體安裝方便。

圖1　球鉸式豎向限位器構(gòu)造示意

球鉸式豎向限位器可應(yīng)用于簡(jiǎn)支梁和中小跨徑的連續(xù)梁，每個(gè)墩通常安裝4個(gè)。安裝時(shí)兩端分別錨固在梁體和墩臺(tái)的側(cè)面（見圖2），可滿足橋梁平時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)和位移。當(dāng)橋梁“起跳”位移達(dá)到設(shè)計(jì)位移時(shí)，球鉸式豎向限位器有足夠的力拉住梁體，防止其發(fā)生更大的位移；梁體回落時(shí)活塞桿在橡膠墊圈的緩沖作用下，回落速度減緩，回落力也有所降低，避免了墩梁相碰時(shí)對(duì)墩和梁的損壞。

圖2　球鉸式豎向限位器布置

2　球鉸式豎向限位器的設(shè)計(jì)

球鉸式豎向限位器的主要作用是限制梁體的豎向“起跳”，同時(shí)滿足梁體轉(zhuǎn)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)的主要工作是計(jì)算豎向地震力，并驗(yàn)證其可行性。

地震力按梁體恒載及活載的7%簡(jiǎn)化計(jì)算，以此作為球鉸式豎向限位器設(shè)計(jì)承載力的初步估算依據(jù)。其中恒載包括梁體結(jié)構(gòu)自重和二期恒載（包括軌道結(jié)構(gòu)、防水層以及防護(hù)墻等附屬設(shè)施自重），活載按全梁雙線滿布ZK荷載計(jì)算。

本文以長(zhǎng)昆客運(yùn)專線9度地震區(qū)無砟軌道24 m簡(jiǎn)支箱梁為例，計(jì)算得全梁豎向地震力并乘1.6倍的安全系數(shù)后得到力為1 550 kN，每片梁上安裝4個(gè)球鉸式豎向限位器，則單個(gè)球鉸式豎向限位器的限位力取400 kN，該力需通過地震仿真分析進(jìn)一步確認(rèn)。

3　球鉸式豎向限位器的地震響應(yīng)分析

3.1簡(jiǎn)支梁橋模型的建立及限位措施的說明

利用SAP2000建立兩跨簡(jiǎn)支箱梁橋模型，主梁計(jì)算長(zhǎng)度24.7 m，橋墩高度25 m，梁體材料采用C50混凝土；橋墩為變截面，橋墩下半部高度22 m，橫截面尺寸為6.5 m×2.5 m，上半部高3 m，截面由6.5 m× 2.5 m漸變?yōu)? m×3.2 m，墩底材料為C35混凝土，配筋率為1%，橋墩與地面固結(jié)。每跨主梁兩端分別由2個(gè)支座支撐，支座采用單壓摩擦擺支座，利用軟件中的T/C Frition Isolator模擬。

根據(jù)球鉸式豎向限位器的基本構(gòu)造，在SAP2000中采用線性連接單元（Linear單元）模擬，上端與箱梁固結(jié)，下端與墩頂固結(jié)，豎向剛度設(shè)置為4×107N/m，水平方向不設(shè)置剛度值。每跨主梁的兩端分別設(shè)置2個(gè)限位器，并且分別設(shè)置于支座的外側(cè)。

3.2所選地震波及分析工況

為了計(jì)算在不同地震波下，豎向限位器的限位效果，分別選用了10條普通地震波和10條近斷層地震波進(jìn)行輸入，表1僅列出普通地震波的信息。順橋向輸入“水平向1”地震波，橫橋向輸入“水平向2”地震波，豎向輸入“豎向”地震波。

根據(jù)地震波的輸入加速度峰值及水平向與豎向加速度比值不同，本文設(shè)立了2種工況，根據(jù)2種工況調(diào)整地震波峰值，對(duì)模型輸入調(diào)整后的三向地震波，進(jìn)行非線性時(shí)程分析。其中，2種工況設(shè)定如下：

工況1：輸入普通地震波，并按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50111—2006）中的規(guī)定，在設(shè)防烈度為9度罕遇地震時(shí)，將普通地震波的水平向峰值調(diào)整為0.64g，豎向地震波峰值調(diào)整為水平向地震波峰值的65%。

工況2：輸入近斷層地震波，并將近斷層地震波的水平向峰值調(diào)整為0.64g，豎向峰值調(diào)整為0.64×（V/H）（其中V為原始地震波豎向峰值，H為原始地震波水平向峰值）。

表1　普通地震波g

3.3工況1梁體響應(yīng)及限位效果

根據(jù)工況1及計(jì)算方法，對(duì)模型在加設(shè)豎向限位器與未加設(shè)豎向限位器2種情況下分別進(jìn)行非線性時(shí)程分析，計(jì)算邊墩、中墩上部主梁與墩頂?shù)呢Q向相對(duì)位移，然后對(duì)加設(shè)與未加設(shè)限位器2種情況下的豎向相對(duì)位移進(jìn)行對(duì)比，并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析限位器的限位效果。此外，提取其在相應(yīng)地震作用下的極限力。

表2列出了不同地震波作用下，在加設(shè)與未加設(shè)豎向限位器時(shí)，上部結(jié)構(gòu)與墩頂?shù)淖畲笙鄬?duì)位移及限位率，限位器最大拉力值。從表2可以看出，未加設(shè)限位器時(shí)會(huì)發(fā)生較大的與墩頂相脫離的位移，即上部結(jié)構(gòu)會(huì)向上起跳。在加設(shè)豎向限位器后，上部結(jié)構(gòu)與墩頂?shù)南鄬?duì)位移值有較大幅度的降低。

表2　工況1豎向限位器限位情況及受力狀態(tài)

為評(píng)價(jià)與量化球鉸式豎向限位器的限位效果，本文采用限位率來表示，限位率=（D0-D1）/D0。從球鉸式豎向限位器的限位率可以看出：豎向限位器在地震作用下，較好地發(fā)揮了豎向限位的作用，較大幅度地降低了上部結(jié)構(gòu)的跳起程度，從而降低了落梁的風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，球鉸式豎向限位器能夠較好地在地震來臨時(shí)起到防止上部結(jié)構(gòu)落梁的作用。

另外，表2列出了在各地震波作用下限位器的極限受力值，可見除個(gè)別地震波外，峰值均小于豎向限位器的設(shè)計(jì)承載力（400 kN），說明在地震作用過程中，豎向限位器在能發(fā)揮良好限位效果的同時(shí)，不會(huì)發(fā)生破壞。因此，此種工況下，現(xiàn)有限位器能夠滿足需要，也說明原設(shè)計(jì)中計(jì)算的限位器承載力是合適的。

3.4工況2梁體響應(yīng)及限位效果

工況2采用近斷層地震波，計(jì)算方法與工況1相同。計(jì)算后得到限位率平均值為75%；邊墩、中墩限位器所受最大拉力多大于現(xiàn)有限位器的極限承載力400 kN，說明近斷層地震波作用過程中，限位器有被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，考慮安全因素對(duì)限位器的極限承載力進(jìn)行加強(qiáng)，最終確定該橋的球鉸式豎向限位器設(shè)計(jì)力為600 kN。

4　球鉸式豎向限位器的力學(xué)性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證球鉸式豎向限位器的轉(zhuǎn)動(dòng)性能和抗拉性能，對(duì)上述設(shè)計(jì)的600 kN球鉸式豎向限位器進(jìn)行試驗(yàn)。

轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度下，其轉(zhuǎn)動(dòng)幾乎不受約束，并且轉(zhuǎn)動(dòng)荷載很小。

圖3　抗拉性能試驗(yàn)荷載-時(shí)間曲線

抗拉性能試驗(yàn)對(duì)其施加1倍設(shè)計(jì)荷載的拉力，荷載均分4級(jí)加載，每級(jí)加載后穩(wěn)壓3min，加載的荷載-時(shí)間曲線如圖3，如此連續(xù)加載3次。圖4為加載3次的荷載-位移曲線。從圖4可以看出：球鉸式豎向限位器第1次加載達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，位移17mm；第2次、第3次加載到設(shè)計(jì)荷載時(shí)位移變小，說明每次加載時(shí)橡膠墊圈吸收了一定的能量，卸載后仍有殘余應(yīng)力。由此可知，球鉸式豎向限位器在設(shè)計(jì)荷載下的位移為17mm，與設(shè)計(jì)相符；另外橡膠墊圈有一定的吸能效果，同時(shí)在梁體回落時(shí)可起到一定的緩沖作用，可降低墩梁的受損。

圖4　抗拉性能試驗(yàn)荷載-位移曲線

5　結(jié)論

1）球鉸式豎向限位器可較大幅度地降低上部結(jié)構(gòu)的跳起程度，起到了很好的限位效果，從而降低落梁的風(fēng)險(xiǎn)。

2）球鉸式豎向限位器的設(shè)計(jì)承載力需采用有限元進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果不滿足時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)值進(jìn)行必要的調(diào)整。

3）球鉸式豎向限位器的轉(zhuǎn)動(dòng)性能與抗拉承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］江輝.近斷層地震地面運(yùn)動(dòng)峰值衰減規(guī)律研究［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（4）：83-87.

［2］張顯明，朱晞.近場(chǎng)豎向地震動(dòng)對(duì)鐵路橋梁地震反應(yīng)的影響［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（4）：30-33.

［3］黃小國，李建中.連續(xù)梁橋防落梁裝置試驗(yàn)和理論研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

［4］朱萬旭.地震區(qū)簡(jiǎn)支梁橋防落梁裝置的設(shè)計(jì)［J］.特種結(jié)構(gòu)，2011（3）：66-70.

［5］孫廣俊.考慮橋墩及支座影響的梁橋豎向地震反應(yīng)分析［J］.工程力學(xué)，2012（10）：232-235.

（責(zé)任審編孟慶伶）

Research and Application of a Sphere Hinge for Vertical Position Limit Applied to Railway Bridge

CHEN Lie，AI Zhongliang，ZHONG Hongjun，JIN Yixin，Lyu Na
（China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610031，China）

In this paper，a sphere hinge for vertical position limit applied to railway bridges in high intensity earthquake zone was introduced.Its mechanism，structure，design，and mechanical properties tests were presented. T he results verify that its rotation performance and bearing capacity meet the design requirements.T he seismic response of the entire bridge with this device was analyzed，and the results indicate that under the action of high intensity earthquake it can effectively limit the“take-off”displacement of bridge girder to prevent falling beam.

Bridge；Prevention of falling beam；Vertical position limit；Sphere hinge

U442.5+5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.07

1003-1995（2016）10-0025-04

2016-05-03；

2016-07-28

陳列（1962—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士。