铁路桥梁减隔震支座设计及试制

辛 兵

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

铁路桥梁减隔震支座设计及试制

辛 兵

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

结合包西铁路黄河特大桥的抗震需要,针对铁路桥梁减隔震支座进行设计试验研究,开发了既能满足铁路桥梁使用要求,又能减小地震力的减隔震支座。试制的滑动支座、固定支座试验表明,支座的滞回曲线丰满,具有较大的等效阻尼比,减隔震能力良好;支座的滞回曲线比较规则,重复性很好,能够满足设计要求的屈后刚度。减隔震支座的使用,不仅能解决高烈度震区的桥梁抗震要求,而且能有效降低工程造价,具有极大的推广价值。

铁路桥梁;抗震;双球面;减隔震支座;滞回曲线;等效阻尼比

在桥梁减隔震研究方面,国内外的研究主要是针对公路桥梁进行的。实际上铁路桥梁刚度大,非常适用于减隔震设计,但采用减隔震设计后,又可能减小结构刚度,使其正常使用受到影响。因此,研究既能满足铁路桥梁使用要求,又能减小地震力的减隔震技术及构造措施是铁路桥梁减隔震设计的关键。

结合包西铁路黄河特大桥的实际工程应用,开展铁路桥梁减隔震设计研究,开发了既能满足铁路桥梁使用要求又能减小地震力的减隔震支座。

1 工程概述

包西铁路黄河特大桥是包西通道上的重点工程和控制工程,桥梁全长3 918.06 m,桥跨布置为:主桥8-106 m简支钢桁梁,北岸引桥3-32 m预应力混凝土简支T梁+1-48 m预应力混凝土简支箱梁+3-32 m预应力混凝土简支T梁+29-48 m预应力混凝土简支箱梁,南岸引桥20-48 m预应力混凝土简支箱梁+5-32 m预应力混凝土简支T梁+1-48 m预应力混凝土简支箱梁+3-32 m预应力混凝土简支T梁,全桥共72个桥墩2个桥台。

黄河特大桥48 m梁位于8度高烈度地震地区,按《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006),其罕遇地震加速度峰值为0.38g;按《包头-神木跨黄河大桥工程场地地震安全性评价报告》提供的加速度峰值为0.36g。经过多次桩基础抗震设计方案比选,最终桩基础方案采用9根φ1.5 m桩,但在罕遇地震作用下,桥梁基础不能满足抗震要求。如采用增加桥梁桩基础的数量和直径,将增加桥墩基础的设计难度,同时也大大增加了工程造价。因此建议黄河特大桥48 m引桥采用双曲面减隔震支座,进行减隔震设计,减小上部结构传到桥墩的地震水平。

2 双曲面球型减隔震支座的工作原理

FPI是将滑动支座和钟摆的概念相结合构成一种新的隔震装置,其滑动面是曲面,通过结构自重提供所需的自复位能力,帮助上部结构回到原来的位置,图1给出其构造简图。它包括一个具有球形曲面的滑块和球形铸钢滑动曲面。铸钢曲面与滑块曲面具有相同的曲率半径,可以很好地相切,在竖向荷载作用下,曲面压应力均匀。支座可以在任何方向滑动,其尺寸主要由最大设计位移控制。

图1 FPI减隔震装置

由于FPI支座构造简单、耐久性好,并具有自恢复能力,在美国、加拿大等国的桥梁减隔震中得到了广泛应用。

双曲面球型减隔震支座的减隔震原理与FPI支座的工作原理相类似,是将球型滑动支座的滑动面改为曲面而发展成的一种隔震支座,如图2所示。它包括一个具有双球面的球体、球形铸钢滑动曲面和球形铸钢转动面。铸钢滑动曲面与球体滑动曲面具有相同的曲率半径,可以很好地相切,在竖向荷载作用下,曲面压应力均匀。支座可以在任何方向滑动,其尺寸主要由最大设计位移控制。通过结构自重提供所需的自复位能力,帮助上部结构回到原来的位置,利用一个简单的钟摆机理延长结构的自振周期(图3)。

双曲面球形减隔震支座通过球形滑动面,能够很好地消耗地震能量,具有如下优点:

(1)减小梁体传递给桥墩的地震力,降低桥墩基础的设计难度和工程造价;

(2)减隔震作用明显,工作原理简单明了,设计参数少而且便于控制和调整;

图2 双曲面球型减隔震支座

图3 双曲面球型减隔震支座工作原理

(3)支承净高不大,设计上容易配合;

(4)竖向刚度和承载能力大;

(5)水平刚度及摩擦力均与竖向荷载成正比,因此剪心与质心重合,结构的扭转效应很小。

3 双曲面球型减隔震支座的设计

3.1 构造

(1)活动支座

活动支座由上支座板、中支座板、下支座板和顶盆组成,有转动面、滑动面和平动面3个摩擦面。转动面提供支座的转角、滑动面提供支座抵消地震能量所需的位移、平动面提供活动正常运营条件下的活动要求。支座构造见图4。

图4 活动支座构造

(2)固定支座

固定支座由上支座板、中支座板和下支座板组成,有转动面和滑动面2个面组成。转动面提供支座的转角、滑动面提供支座抵消地震能量所需的位移。固定支座构造见图5。

图5 固定支座构造

3.2 滑动面设计

(1)设计参数

支座的回复力可按下式计算

式中,W为支座承受的竖向荷载,R为滑动曲面的曲率半径,D为滑动水平位移,μ为滑动曲面摩擦系数。上式第一项是因承受质量沿曲面滑动上升所产生的水平向恢复力,由此可知其屈后水平刚度为

从而隔震结构的周期为

由上式可知,这类隔震结构的周期与承受的质量无关。公式(1)中第二项是滑动曲面滑动时产生的摩擦力。

关于该类隔震支座的等效线性化分析模型,其等效刚度为

等效阻尼比为

如果事先确定了隔震结构的周期,则可由公式(7)得到这类隔震装置的几何尺寸为

因此,当隔震结构周期为2 s时,隔震装置的曲率半径大约需为1 m。

当滑块在曲面滑动时,其竖向上升的位移为

(2)设计计算

支座滑动后刚度取为2 000 kN/m,设计恒载为8 000 kN;设计位移为300 mm,摩擦系数μ≤0.03。

根据以上要求,计算出的支座参数见表1。

3.3 挡板设计

双曲面球形减隔震支座要求在正常运营下,滑动曲面不发生位移,在发生地震时,滑动曲面通过位移消耗地震能量,保证结构安全。设计时,在支座的四周设置了挡块,挡块按照水平力为竖向承载力的10%～ 12%设计,保证了正常运营条件下,如产生制动力、轨道力等时不发生位移,发生较大地震时挡块剪断,产生位移。

表1 支座设计参数

在长钢轨作用力和多遇地震作用下,支座结构不损坏,能有效限制上部结构的位移,从而确保列车的安全运营。

包西铁路黄河特大桥48 m梁固定墩上的长钢轨纵向力如下:

伸缩力T1=144 kN/轨;

断轨力T3=336 kN/轨;

制动力T4=470 kN/线;

多遇地震作用下的墩顶水平力为纵桥向2D0s= 2 790 kN、横桥向2D0H=2 770 kN。

固定端上的支座布置方式为固定支座+横向活动支座,活动端相应为纵向活动支座+多向活动支座。

正常使用状态和发生较大地震需要减震支座大位移滑动临界状态下,每孔梁纵、横向水平力各由2个支座承担。

(1)顺桥向水平力

组合1:2S4=1轨伸缩力+1线制动力+1轨断轨力(主+附+特)=950 kN。

组合2:2S3=2轨伸缩力+1线制动力(主+附)= 758 kN。

组合3:2S2=4轨伸缩力+地震力(主+特) =1 971 kN。

最不利顺桥向水平力S=986 kN。

(2)横桥向水平力

组合1:2H1=列车摇摆力+地震力(特) =1 485 kN。

最不利横桥向水平力H=743 kN。

(3)水平力阀值

支座设计承载力8 000 kN,最不利顺桥向水平力为986 kN(13%),最不利横桥向水平力为743 kN (9%),考虑材料力学性能的偏差,本桥减隔震支座的水平力阀值取支座设计承载力的10%～12%(即800～960 kN)为宜。

4 双球面减隔震支座抗震性能试验

4.1 试样

根据提出的设计参数制作的两件双球面减隔震支座,分别为固定支座和滑动支座。

固定支座的设计要求包括:支座的设计竖向承载力为8 000 kN,支座高度为300 mm。设计固定支座的侧向剪断力960 kN,设计屈后剪切刚度为2 000 kN/m,屈后位移±300 mm。

滑动支座的设计要求包括:支座的设计竖向承载力为8 000 kN,支座高度为300 mm。要求支座的摩擦系数≤0.03,设计屈后剪切刚度为2 000 kN/m,屈后位移±300 mm。

图6为整体支座的照片。

图6 双球面减隔震支座

4.2 试验目的和内容

由于地震对结构的作用主要表现在水平方向,因此此次抗震性能研究主要考察的是支座水平方向的滞回性能和自恢复能力。试验内容包括:

(1)侧向剪断力试验;

(2)竖向承载力试验;

(3)水平回复力试验;

(4)水平摩擦系数测定试验。

4.3 试验方法

(1)侧向剪断力试验(表2)

表2 侧向剪断力试验

(2)竖向承载力试验(表3)

表3 竖向承载力试验

(3)水平回复力试验(表4)

表4 水平回复力试验

(4)水平摩擦系数测定试验(表5)

表5 水平摩擦系数测定试验

4.4 试验结果

4.4.1 固定支座试验结果

(1)侧向剪断力试验

固定支座两侧的侧向剪断力分别达到997.38 kN和1 224.63 kN,略大于设计固定支座的侧向剪断力960 kN。

(2)竖向承载力试验

竖向承载力的试验结果表明,设计荷载下固定支座的平均竖向压缩变形为0.946 mm,为支座总高度的0.315%,小于1%,满足要求。试验结束后支座未发生破坏。

(3)水平回复力试验

固定支座的水平向滞回曲线如图7所示。

等效阻尼比和屈后剪切刚度的计算如表6所示。

表6 固定支座的等效阻尼比和屈后刚度测定结果

图7 固定支座的水平荷载-位移曲线

固定支座试验结论:

(1)该支座的侧向剪断力试验满足要求;

(2)该支座的竖向承载力试验满足要求;

(3)该支座的滞回曲线丰满,具有比较大的等效阻尼比,减隔震能力良好;

(4)该支座的滞回曲线比较规则,重复性很好,达到了设计要求的屈后刚度;

(5)该支座具有足够的水平位移变形量,满足设计要求。

4.4.2 滑动支座试验结果

(1)摩擦系数测定试验

水平摩擦系数的测试结果见表7,测得的摩擦系数为0.007,小于0.03,满足要求。

表7 顺桥向水平摩擦系数

(2)竖向承载力试验

竖向承载力的试验结果表明,设计荷载下滑动支座的平均竖向压缩变形为1.082 mm,为支座总高度的0.361%,小于1%,满足要求。试验结束后支座未发生破坏。

(3)水平回复力试验

滑动支座的水平向滞回曲线如图8所示。

图8 滑动支座水平荷载位移曲线

等效阻尼比的计算如表8所示,可见该支座具有较大的等效阻尼,减隔震能力很好,试验结果达到了设计要求。

___表8 滑动支座的等效阻尼比和屈后剪切刚度测定结果

滑动支座试验结论:

(1)该支座的水平摩擦系数试验满足要求;

(2)该支座的竖向承载力试验满足要求;

(3)该支座的滞回曲线丰满,具有比较大的等效阻尼比,减隔震能力良好;

(4)该支座的滞回曲线比较规则,重复性很好,达到了设计要求的屈后刚度;

(5)该支座具有足够的水平位移变形量,满足设计要求。

5 结语

通过针对铁路桥梁减隔震支座设计研究,开发了既能满足铁路桥梁使用要求,又能减小地震力的减隔震支座,并获得了国家发明专利。试制的滑动支座、固定支座试验表明,支座的滞回曲线丰满,具有比较大的等效阻尼比,减隔震能力良好;支座的滞回曲线比较规则,重复性很好,能够满足设计要求的屈后刚度。

减隔震支座的使用,不仅能解决高烈度震区的桥梁抗震要求,而且能有效降低工程造价,具有极大的推广价值。

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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

铁道部科技研究开发计划项目(2006G038)

辛 兵(1970—),男,高级工程师,1992年毕业于上海铁道学院铁道工程专业,工程硕士。