探究鐵路橋梁減震卡榫的設(shè)計(jì)與應(yīng)用性能

摘 要：本文針對(duì)鐵路橋梁在地震中的安全問題，提出了一個(gè)創(chuàng)新的減震卡榫設(shè)計(jì)與應(yīng)用方案。該方案結(jié)合了摩擦擺式支座和減震卡榫，旨在限制橋梁在地震下的位移，防止梁體碰撞和落梁，同時(shí)提高下部結(jié)構(gòu)的受力能力。通過模擬和實(shí)橋應(yīng)用檢算，該組合隔震支座系統(tǒng)展示了其在地震響應(yīng)控制上的優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果表明，這種新型支座系統(tǒng)不僅能有效限制中小地震下的位移，還能在大地震中提供額外的保護(hù)，防止嚴(yán)重震害。此外，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和構(gòu)造形式使其易于安裝、檢查和維護(hù)，有助于降低長期維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁 減震卡榫 橋梁性能

1 鐵路橋梁及其抗震問題

中國的鐵路橋梁技術(shù)在早期發(fā)展階段便凸顯出顯著優(yōu)勢(shì)，相較于公路橋梁技術(shù)，其領(lǐng)先地位尤為顯著。這一成就的取得，與鐵路的卓越運(yùn)載能力和高效運(yùn)輸效率密不可分。因此，我國自早期階段起便對(duì)鐵路橋梁的設(shè)計(jì)與制造給予高度重視，將其視為關(guān)鍵性課題進(jìn)行深入探索。

早在上世紀(jì)70年代，我國鐵路部門便積極引進(jìn)并應(yīng)用先進(jìn)的滑動(dòng)模板技術(shù)，成功建造了19座高度超過60米的空心墩。這些空心墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，截面多呈圓形，有效提升了橋梁的承載能力與穩(wěn)定性。該技術(shù)的成功應(yīng)用，為我國鐵路橋梁的后續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

隨著我國西部鐵路建設(shè)的迅速推進(jìn)，高墩設(shè)計(jì)在鐵路橋梁中逐漸普及。然而，隨著高墩設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用，鐵路橋梁抗震性能不足的問題逐漸顯現(xiàn)。在地震等自然災(zāi)害面前，這些橋梁的脆弱性凸顯，對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

一般來說，鐵路橋梁往往架設(shè)在山地、丘陵、峽谷、海域等復(fù)雜環(huán)境之下，在這些區(qū)域自然環(huán)境多變且地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)不穩(wěn)定，無論是大風(fēng)、降雨還是地殼運(yùn)動(dòng)都有可能導(dǎo)致橋梁發(fā)生劇烈的震動(dòng)，造成內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)的疲勞使得行車安全與橋梁壽命顯著降低。由于高墩的柔韌性和阻尼較小，設(shè)計(jì)時(shí)主要以剛度為主導(dǎo)，通常采用鋼筋混凝土空心墩，截面形狀以圓形空心厚壁為主，立面形狀以斜坡式為主。此外，研究人員受到高層建筑設(shè)計(jì)的啟發(fā)，提出了一種格構(gòu)式橋墩，墩臺(tái)以上的部分由四根墩柱構(gòu)成，各柱之間通過減震系梁連接，在大震作用下，通過減震系梁的塑性變形進(jìn)行能量耗散。

2 鐵路橋梁減震的重要性

2.1 確保運(yùn)輸安全

鐵路橋梁在地震中可能會(huì)遭受損壞，這會(huì)直接影響到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩c效率。經(jīng)過良好抗震設(shè)計(jì)的橋梁能夠在地震發(fā)生后仍保持結(jié)構(gòu)完整，從而減少因橋梁損壞導(dǎo)致的運(yùn)輸中斷，確保人員和物資能夠安全、及時(shí)地運(yùn)輸?shù)叫枰牡胤?。舉例來說，2011年日本東北地震中，由于地震引發(fā)的高架鐵路橋梁振動(dòng)幅度過大，導(dǎo)致多列列車脫軌，嚴(yán)重影響了鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩c效率。事故發(fā)生后，救援隊(duì)伍需要花費(fèi)大量時(shí)間清理現(xiàn)場(chǎng)，修復(fù)受損橋梁，才能恢復(fù)鐵路運(yùn)輸秩序。此次事故不僅對(duì)人員安全和財(cái)產(chǎn)造成損失，還給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來嚴(yán)重影響。而如果該鐵路橋梁進(jìn)行了良好的抗震設(shè)計(jì)，即使在大地震中，橋梁的振動(dòng)幅度得到有效控制，列車行駛過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)大大降低，從而確保鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩c效率。這起事故凸顯了鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)在保障運(yùn)輸安全方面的重要性。

2.2 提升鐵路使用壽命

鐵路橋梁作為承受鐵路運(yùn)輸荷載的重要設(shè)施，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到列車的安全運(yùn)行和乘客的生命安全。然而，在列車不斷地行駛過橋時(shí)，車輪與軌道的相互作用會(huì)產(chǎn)生一系列的振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)傳遞到橋梁結(jié)構(gòu)中，引起橋梁的振動(dòng)。這種持續(xù)的振動(dòng)就像微小的錘擊，會(huì)不斷地對(duì)橋梁的構(gòu)件施加應(yīng)力，尤其是對(duì)那些焊接點(diǎn)、連接處等弱點(diǎn)，長期的應(yīng)力循環(huán)會(huì)導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)疲勞損傷。這種損傷最初可能只是微小的裂紋，但隨著時(shí)間的推移，這些裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致橋梁的結(jié)構(gòu)性損傷，如截面損失、脆性斷裂等，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)饦蛄旱谋浪?，造成不可挽回的損失。為了防止這種情況的發(fā)生，減震設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。減震設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是減少橋梁受到的振動(dòng)，從而降低橋梁的疲勞損傷，延長橋梁的使用壽命。

2.3 降低維護(hù)成本

鐵路橋梁減震設(shè)計(jì)的目的不僅是提高橋梁的安全性和可靠性，還包括降低鐵路的維護(hù)成本。具體來說，減震設(shè)計(jì)能夠顯著減少橋梁因疲勞損傷而需要維修的頻率和程度。通過減少振動(dòng)和應(yīng)力集中，橋梁的關(guān)鍵部位如焊縫、連接器和梁肋等受到的疲勞應(yīng)力降低，從而延長了橋梁的實(shí)際使用壽命。這意味著在橋梁的整個(gè)生命周期內(nèi)，需要進(jìn)行的維修和更換次數(shù)減少，從而節(jié)省了維護(hù)成本。且有助于防止由于共振或其他振動(dòng)問題導(dǎo)致的突發(fā)性結(jié)構(gòu)損傷。這種預(yù)防性的措施減少了緊急維修的需要，避免了由于結(jié)構(gòu)突然失效而造成的昂貴維修成本。

3 鐵路橋梁減震技術(shù)的機(jī)理及分析

阻尼器作為鐵路橋梁減震技術(shù)體系中的核心元件，在橋梁建設(shè)領(lǐng)域中具有舉足輕重的地位。其工作原理在于，當(dāng)橋梁遭遇振動(dòng)時(shí)，阻尼器能夠迅速產(chǎn)生相應(yīng)的阻力，有效耗散地震輸入的能量，進(jìn)而顯著降低橋梁的振動(dòng)幅度，從而確保橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

阻尼器種類繁多，各具獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。摩擦阻尼器通過利用摩擦力機(jī)制耗散能量，在橋梁減震中展現(xiàn)出顯著成效。橡膠阻尼器則憑借其出色的彈性性能，將地震能量轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能進(jìn)行耗散。而金屬阻尼器則通過金屬間的摩擦作用，將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減震效果。

隔震層是橋梁減震技術(shù)體系中的另一重要組成部分，其核心思想在于通過隔離橋梁與地震波的接觸來減輕地震對(duì)橋梁的影響。隔震層通常由橡膠隔震支座或鉛芯隔震支座等優(yōu)質(zhì)材料構(gòu)成。橡膠隔震支座憑借其良好的彈性和摩擦性能，在耗散地震能量方面表現(xiàn)優(yōu)異。鉛芯隔震支座則在橡膠支座的基礎(chǔ)上融入鉛芯元素，通過鉛芯的塑性變形和摩擦作用，進(jìn)一步增強(qiáng)隔震效果。

減震支座作為一種特殊的橋梁支座類型，在地震發(fā)生時(shí)能夠提供可控的位移和恢復(fù)力，從而有效減少橋梁的振動(dòng)。這種支座通常采用金屬橡膠復(fù)合材料制造而成，既具備金屬的剛性與強(qiáng)度，又擁有橡膠的彈性與阻尼性能。在振動(dòng)過程中，減震支座能夠產(chǎn)生較大的阻尼和彈性，有效耗散地震能量，保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)免受損害。

動(dòng)態(tài)纜索技術(shù)作為一種新型的減震技術(shù)，特別適用于懸索橋和斜拉橋等柔性結(jié)構(gòu)。通過在纜索中引入特殊的阻尼材料或振動(dòng)吸收器，動(dòng)態(tài)纜索能夠顯著降低地震引起的振動(dòng)幅度，從而提高橋梁的抗震性能。該技術(shù)不僅具有創(chuàng)新性和實(shí)用性，還將在未來的橋梁建設(shè)中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

控制桿和摩擦擺是另一種通過調(diào)整橋梁自振頻率和阻尼比來減少地震響應(yīng)的減震技術(shù)?？刂茥U通過改變橋梁的剛度，進(jìn)而調(diào)整其自振頻率，使橋梁在地震中能夠更好地適應(yīng)地震波的振動(dòng)特性。摩擦擺則能在振動(dòng)過程中產(chǎn)生摩擦力，耗散地震能量，從而降低橋梁的振動(dòng)幅度。這兩種技術(shù)的結(jié)合使用，將進(jìn)一步提升橋梁的抗震性能，確保其在地震中的安全與穩(wěn)定。

4 減震卡榫的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4.1 設(shè)計(jì)原理

橋梁的減隔震支座是抗震體系中的關(guān)鍵耗能部件，同時(shí)也是最易遭受損壞的部分。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)傳遞的慣性力超出支座的承載極限時(shí)，支座的錨固螺栓可能被拉出或剪斷，導(dǎo)致支座脫落或損壞，進(jìn)而可能導(dǎo)致梁體碰撞等嚴(yán)重后果。單純依賴支座的位移來消耗能量可能會(huì)引起嚴(yán)重的地震損害，如梁體脫落，同時(shí)地震力可能無法有效地傳遞到下部結(jié)構(gòu)，造成下部結(jié)構(gòu)的材料浪費(fèi)。通過適當(dāng)?shù)嘏渲脺p震和隔離系統(tǒng)，可以減少地震作用力，并使這些力在建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中更加平均地分布，從而提升整體結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)能力。摩擦擺支座作為一款應(yīng)用廣泛的減震產(chǎn)品，以其輕巧的體積、較高的阻尼比以及在保持傳統(tǒng)支座功能的同時(shí)提供隔震效果而受到好評(píng)。盡管如此，在鐵路橋梁的運(yùn)用中，摩擦擺支座的隔震性能仍存在一定的應(yīng)用限制。本研究提出了一種新型的復(fù)合隔震支座，它將減震卡榫和摩擦擺式支座相結(jié)合，旨在中小地震中限制橋梁的縱向位移，在大地震時(shí)防止梁體墜落和碰撞。這種支座可以同時(shí)承載橋梁的垂直負(fù)荷和滿足其旋轉(zhuǎn)功能。減震卡榫設(shè)計(jì)用于在結(jié)構(gòu)溫度變化時(shí)調(diào)整自身，以適應(yīng)變形，而在橋梁正常運(yùn)行期間保持不工作狀態(tài)。在地震發(fā)生時(shí)，它能夠耗能減震，并防止梁體脫落。

4.2 構(gòu)造形式

減震卡榫裝置（見下圖1）作為橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組件，在橋梁的安全保障與抗震性能提升方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在面臨常規(guī)沖擊荷載及地震作用時(shí)，該裝置可有效控制橋梁在橫向、豎向及縱向的位移，進(jìn)而確保橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固與安全。在極端地震環(huán)境下，減震卡榫裝置具備屈服并消耗能量的特性，有效減輕地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞程度。同時(shí)，在不增加橋墩下部結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險(xiǎn)的前提下，該裝置能有效增強(qiáng)下部結(jié)構(gòu)的承力能力，進(jìn)而提升橋梁的整體抗震性能。

在中小地震發(fā)生時(shí)，減震卡榫裝置展現(xiàn)出顯著的保護(hù)限位作用，有效限制橋梁在地震中的位移幅度，從而保障橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。此外，該裝置還能有效確保摩擦擺支座的隔震效果，進(jìn)一步強(qiáng)化橋梁的抗震能力。

為確保減震卡榫裝置在地震中的耗能效果，設(shè)計(jì)者在材料選擇與加工工藝方面進(jìn)行了深入研究。在材料方面，選用了具備高延性的軟鋼材料，該材料因具備良好的塑性與韌性，能在變形過程中有效耗散地震或其他沖擊荷載的能量。在加工工藝方面，軟鋼材料經(jīng)過精細(xì)的鍛造、熱處理及數(shù)控加工，確保了裝置的精度與可靠性。

減震卡榫裝置的耗能能力主要源于其塑性鉸的變形。在地震作用下，塑性鉸發(fā)生屈服并產(chǎn)生塑性變形，從而吸收地震能量。這種變形過程具有反復(fù)性，塑性鉸的地震循環(huán)次數(shù)可高達(dá)數(shù)十次，確保了裝置在長時(shí)間地震作用下的穩(wěn)定與可靠。此外，該裝置兼具水平與豎向的減震耗能效果，能有效減小地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

除耗能能力外，減震卡榫裝置還具備防止落梁的功能。在極端地震情況下，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)受到過大的地震作用時(shí)，該裝置能通過屈服與變形來限制橋梁的位移，從而避免橋梁發(fā)生落梁現(xiàn)象，這一功能有助于維護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的完整性與安全性，降低對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的損失風(fēng)險(xiǎn)。

此外，減震卡榫裝置的安裝過程簡便快捷，便于施工人員進(jìn)行操作。同時(shí)，該裝置還易于檢查、維修與更換，確保了橋梁結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定與安全。在橋梁維護(hù)過程中，工作人員可定期對(duì)減震卡榫裝置進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全隱患，確保橋梁的正常運(yùn)行。

4.3 實(shí)橋應(yīng)用檢算

為了模擬鐵路橋梁在地震作用下的響應(yīng)，本研究選取了一個(gè)典型的鐵路橋梁作為模型，并使用UC-win/FRAME（3D）軟件進(jìn)行三維框架結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)靜力分析。該軟件能夠模擬橋墩的非線性特性，通過纖維單元模型來實(shí)現(xiàn)。在纖維單元中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件被劃分為多個(gè)單元，每個(gè)單元的特性由其橫斷面代表，橫斷面進(jìn)一步被分割成纖維束，這些纖維束可以具有不同的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

計(jì)算過程中，纖維可以根據(jù)其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和損傷準(zhǔn)則來輸出損傷指標(biāo)和損傷等級(jí)。鋼筋的損傷等級(jí)分為四個(gè)等級(jí)：壓縮屈服、拉伸屈服、容許拉伸和斷裂?；炷恋膿p傷等級(jí)從低到高為：裂縫、輕微、終極I、終極II和破壞。

本研究建立了兩種簡支梁橋模型：一種采用普通摩擦擺支座，另一種采用組合隔震支座。計(jì)算分析使用了1999年9月21日臺(tái)灣省南投縣集集鎮(zhèn)地震的20條典型加速度記錄進(jìn)行對(duì)比。間隙金屬阻尼器的骨架曲線如圖2所示。通過這些計(jì)算和分析，可以評(píng)估組合隔震支座在實(shí)際地震情況下的性能和效果。

結(jié)果顯示，減震卡榫裝置能夠提供橫向、縱向和豎向的剛度，形成一個(gè)三級(jí)減震耗能系統(tǒng)，并具備限位功能，能夠在中小地震中有效限制主梁的位移；與摩擦擺式支座結(jié)合形成的減震支座體系，能夠有效提升整體的耗能能力，保護(hù)橋梁上部結(jié)構(gòu)免受碰撞和落梁等嚴(yán)重震害；組合減震支座體系相較于傳統(tǒng)的摩擦擺支座，同樣適用于近斷層地震區(qū)域的鐵路橋梁。

5 結(jié)語

本文提出了一種創(chuàng)新的減震卡榫設(shè)計(jì)與應(yīng)用方案，該方案與摩擦擺式支座相結(jié)合，旨在增強(qiáng)鐵路橋梁在橫向、縱向和豎向的剛度表現(xiàn)，從而構(gòu)建一個(gè)高效的三級(jí)減震耗能系統(tǒng)，并兼具限位功能。經(jīng)過深入研究，結(jié)果表明，這種組合減震支座系統(tǒng)能夠顯著限制中小地震作用下的位移響應(yīng)，有效保護(hù)橋梁上部結(jié)構(gòu)免受碰撞和落梁等嚴(yán)重震害，特別適用于近斷層地震區(qū)的鐵路橋梁。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和構(gòu)造形式經(jīng)過精心優(yōu)化，確保了其在安裝、檢查和維護(hù)過程中的便捷性，有助于降低長期維護(hù)成本，提高鐵路橋梁的抗震性能和使用壽命。展望未來，隨著鐵路工程技術(shù)的不斷發(fā)展，我們將進(jìn)一步探討軌道約束對(duì)鐵路減隔震性能的影響，以及鋼軌彎曲變形和軌道抗震性的研究。通過深入剖析這些關(guān)鍵因素，旨在不斷提升鐵路橋梁的抗震能力和安全性，為鐵路交通的平穩(wěn)運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。

基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于拉索減震支座技術(shù)的鐵路連續(xù)梁橋抗震性能研究”（編號(hào)2023KY1440）。

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