鐵路橋梁支座減震技術研究

張通樂

摘要：現階段，隨著社會的發(fā)展，科學技術的發(fā)展也有了很大的提高。高速鐵路橋梁一般都會采用靜定結構，設計比較簡單，但是系統(tǒng)中的支座系統(tǒng)是由于與道床、鋼軌之間的相互作用，構造比較復雜。根據高速鐵路支座系統(tǒng)的要求，本文從我國鐵路橋梁的基本概況和國家橋梁設計基本要求入手，分析近些年自然災害發(fā)生時鐵路橋梁的情況及遇到的問題，進行支座減震系統(tǒng)的設計和測試，得出恰當的結論。

關鍵詞：鐵路橋梁;支座減震;技術研究

中圖分類號：U442.55

文獻標識碼：A

文章編號：1674—3024（2019）06—0061—02

引言

我國正處于高速鐵路快速發(fā)展的重要時期，為了節(jié)約珍貴的土地資源，高速鐵路（客運專線）在建設過程中大量采用“以橋代路”的理念。據統(tǒng)計橋梁比例已達到高速鐵路線路總長度的70%～80%左右，在這當中絕大部分是簡支箱梁橋。作為一種新時代的運輸方式，高速鐵路相比于其他運輸方式具有安全性好、舒適度好、速度快及高密度運行等特點，為了滿足高速列車在運行過程中的安全性和平順性指標，高鐵橋梁普遍采用重力墩，箱梁的重量及尺寸比普通橋梁大得多，橋梁的整體剛度因此大大提高，結構的地震響應明顯增大。我國地處歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶之間，是一個地震災害嚴重的國家，采用傳統(tǒng)延性設計的重力墩在超出設計地震烈度的強烈地震下容易遭受嚴重破壞。為了保證高速鐵路的安全運行，將已經在普通橋梁中應用的隔震技術引入到高鐵橋梁中無疑是一種好的解決辦法。

1 我國鐵路橋梁支座系統(tǒng)的概況

靜定結構系統(tǒng)設計簡單，在鐵路橋梁中普遍采用。而在實際的應用操作中，靜定結構系統(tǒng)中的支座系統(tǒng)又與鋼軌、道床、鐵路互相作用、影響，進而形成復雜的構造，特殊的體系。因此在操作過程中，只能對鐵路支座不同的方案采取不同的操作。靜定結構在設計中，鐵路路線由于會出現平坦、崎嶇等狀況，也會遇到河流等地形，因此，會根據當地地形構造的不同進行合理、科學、經濟設計。

2 橋梁模型

本文以某高鐵六跨簡支梁橋為計算模型，橋梁每跨跨度32m，每跨兩端橋墩的形狀配筋尺寸均相同，每個橋墩頂部布置四個摩擦擺支座。該橋梁的主要參數如下：橋墩墩高為23.5m，為C35圓端型截面，采用Mander本構，鋼筋為HRB400，采用雙線性本構。主梁采用預應力混凝土C50，其余混凝土均為C40。橋梁所在場地特征周期為0.45s，設防烈度為8度（0.3g），場地類別I類。使用有限元軟件SAP2000進行建模，計算模型如圖1。摩擦擺支座采用SAP2000中的FrictionIsolator連接單元模擬，減震榫采用Plastic（Wen）連接單元來模擬，橋墩中混凝土和鋼筋均采用纖維模型。在SAP2000可以定義混凝土的Mander本構，考慮無約束混凝土、約束混凝土，并使用纖維截面劃分鋼筋混凝土單元。根據縱筋的直徑、間距及箍筋的數量、直徑，按照等量原則估算約束混凝土的提高作用。本文所選用的摩擦擺支座為摩擦單擺式阻尼支座，該支座的球面曲率半徑為1.5m，球面摩擦系數為0.03，豎向設計承載力為5000kN，設計極限位移為80mm。與摩擦擺支座共同作用的減震榫實際上是一種軟鋼阻尼器，是典型的懸臂梁結構，屬于純彎構件，其構造見圖2。減震榫的主體采用圓形截面，分為AB過渡段和BC核心耗能段，AB段截面直徑呈線性變化，BC段截面直徑變化滿足等強度要求，為保證減震榫表面圓滑，AB段與BC段在B點相切。鐵路橋梁支座在實際的運用過程中還存在一定的問題，主要有：（1）地震災害中，鐵路橋梁支座螺栓受到重創(chuàng)后發(fā)生斷裂等現象，支座裝置被徹底破壞，失去應有的功能，發(fā)生上下盤錯位的現象。（2）橋墩在震后出現的裂縫較為嚴重，并且裂縫前后貫通，局部地區(qū)已經出現坍塌、崩裂等癥狀。從這次的地震中可看出，傳統(tǒng)的鐵路橋梁抗震在設計過程中，存在著嚴重的問題、弊端，有效解決這些問題的最佳方法便是引進先進、科學的減震設計。

3 鐵路橋梁支座減震原理、設計理念、方法

鐵路橋梁支座減震設計有減隔震技術、延性抗震設計兩種。其中，減隔震技術就是減少地面與結構的力量，在減震裝置的作用下將兩者分離。而延性抗震設計主要是利用系統(tǒng)結構的延伸優(yōu)勢來發(fā)揮其作用，達到抗震的效果。就橋墩而言，抗震的原理是塑性改變，而在實際中，又形成了不穩(wěn)定性結構，因此在此基礎上采用延性抗震設計，進而控制塑性變形。根據鐵路橋梁支座功能分離的理念，改變設計思想和設計方法，把固定的支座改為可以活動的支座，在橋墩與橋梁之間設置減震材料。

4 通過實驗進一步測試鐵路橋梁支座減震效果

4.1 有針對性的進行減震效果測試

實驗中采用橋梁橡膠支座系統(tǒng)測試減震效果，在列車的通行中觀察，其所受到的振動是否在規(guī)定范圍之內。并且對數據進行記錄、分析，在此基礎上進一步研發(fā)新型減震系統(tǒng)，改善其不合理的系統(tǒng)。

4.2 采用兩種方法進行減震效果測試

（1）實驗中對橋墩安裝不同的支座，一種是安裝橡膠支座，另一種是無橡膠支座，這兩種情況下如果受到超負荷的沖擊會產生什么樣的抗震效果，對其進行計算，通過計算對比，選出最佳的支座減震系統(tǒng)。（2）采用沖擊振動法，對地面不同程度、距離的振動，進一步比較有無橡膠支座的情況下，哪一種減震效果更好。通過兩種測試方法得出以下結論：在鐵路橋梁支座的減震系統(tǒng)中，采用橡膠支座具有一定的減震效果，但在測試中也存在其他因素的影響效果。因此，在以后的研究、設計中，橡膠支座是最佳的選取材料，在相互因素的結合考慮下，才能研發(fā)出更加具有減震效果的支座系統(tǒng)。

4.3 抗震強度及穩(wěn)定性驗算

橋梁的抗震設計要根據安全和經濟兩方面統(tǒng)籌考慮，針對不同強度的地震采取不同的設計方法和要求?！惰F路工程抗震設計規(guī)范》規(guī)定設計烈度為7度及7度以上時，要按規(guī)定進行抗震設計及驗算，設計烈度高于9度或有特殊要求的建筑物及新型結構應進行專門研究設計。橋梁抗震驗算的荷載組合為地震作用與恒載和活載的最不利組合。其中，恒載包括結構自重、土壓力、靜水壓力及浮力，活載包括活載重力、離心力及列車活載產生的土壓力。橋梁抗震強度及穩(wěn)定性驗算一般只需考慮水平地震荷載，并在順橋和橫橋兩個方向分別進行計算，主要驗算地基承載力、橋墩的水平地震荷載及內力、橋臺的土壓力和水平地震力等。

4.4 設計方法

對一般橋梁工程，可按規(guī)范所規(guī)定的簡化方法進行結構抗震設計。我國規(guī)范是采用反應譜理論進行抗震設計，即根據設計烈度，以簡便的地震荷載系數計算地震慣性力，作為地震荷載，然后以一般結構靜力計算步驟求得結構最大內力和變位，使其控制在規(guī)范容許值的范圍內來確保結構的抗震安全。對大跨度或特別重要的橋梁結構，應對結構進行地震動力分析（地震反應分析）。分析的方法一般是直接根據建橋地區(qū)在強震時地面運動的加速度記錄，依照動力學的原理，應用電子計算技術，對結構作地震動力分析計算。對于已經建成的橋梁結構，如不滿足現行規(guī)范抗震設防的要求，也可通過結構地震動力分析作進一步的抗震鑒定和決定最優(yōu)加固方案。

5 結語

靜力結構設計簡單，在鐵路橋梁支座減震系統(tǒng)中普遍運用，但由于受到軌道、列車、道床之間的相互影響、作用，其構造變得更為復雜，因此，在設計中一定要考慮到其他因素的存在，進行綜合考慮。本文在支座設計方法、理念、原理的基礎上，研究了鐵路橋梁支座減震效果，設計過程中，一定要考慮除了基本的結構以外，增加一些零部件來補償、適應橋梁支座的特殊要求，達到支座最佳優(yōu)越性，起到減震的效果。

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