一种铁路桥梁球铰式竖向限位器的研究与应用

陈列，艾忠良，钟洪军，金怡新，吕娜

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031）

一种铁路桥梁球铰式竖向限位器的研究与应用

陈列，艾忠良，钟洪军，金怡新，吕娜

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031）

针对研发的一种适用于高烈度地震区铁路桥梁的竖向限位装置——球铰式竖向限位器，介绍了其工作原理及构造特点、设计方法、力学性能试验，结果证明球铰式竖向限位器的转动性能和承载力满足设计要求。同时，对球铰式竖向限位器进行了全桥地震响应分析，分析结果表明:在高烈度地震作用下，球铰式竖向限位器可有效限制梁体“起跳”位移，从而起到防止上部结构落梁的作用。

桥梁；防落梁；竖向限位；球铰

随着国内外对竖向地震动的广泛关注和深入研究，桥梁领域也发现：在最大水平加速度峰值为0.1g和0.2g时，竖向地震动对桥墩的地震响应很小；而在最大水平加速度峰值为0.4g时，桥墩已进入非线性工作状态，竖向地震动对桥墩地震响应的影响很大［1-2］。另有学者指出［3］，支座被剪断后，在3项地震动作用下，整个桥梁结构的振动特性发生了改变，梁体会发生较大的竖向位移。

我国在防落梁装置及抗震措施方面，《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2009）7.5.9条对9度地震区的桥梁规定：“除满足8度要求外，尚应满足下列要求：①桥梁上部应采用横向连接可靠、整体性能良好的结构形式；②上部结构应采用竖向限位措施。”规范对8度地震区的桥梁要求除了设置横向支挡外还要设置纵向支挡，故9度地震区桥梁应综合考虑设置纵、横、竖三向防落梁措施。

目前纵、横向防落梁的应用较多［4］，但竖向防落梁［5］采用较多的是通过高强链条将梁体和桥墩相连的方式。这种方式的缺点是链条长度不好控制，并且在竖向地震作用下梁体起跳后的回落会与桥墩发生撞击，造成梁体和桥墩的损伤。因此，迫切需要研究出能适用于高烈度地震区的竖向限位器。本文以长昆线9度地震区24 m简支梁为背景，研发出一种竖向限位装置——球铰式竖向限位器。

1　球铰式竖向限位器的构造特点及工作原理

球铰式竖向限位器由预埋组件、底座、扣板、橡胶垫圈、活塞杆、套筒等组成，如图1所示。活塞杆的两端设计为球面结构，其与底座和扣板安装后形成球铰结构以适应桥梁转动；限位板和活塞杆之间填塞橡胶垫圈以缓冲梁回落时与墩的撞击；2个活塞杆设置螺纹通过套筒连接，这种结构使得球铰式限位器的高度可人工调整，且整体安装方便。

图1　球铰式竖向限位器构造示意

球铰式竖向限位器可应用于简支梁和中小跨径的连续梁，每个墩通常安装4个。安装时两端分别锚固在梁体和墩台的侧面（见图2），可满足桥梁平时的转动和位移。当桥梁“起跳”位移达到设计位移时，球铰式竖向限位器有足够的力拉住梁体，防止其发生更大的位移；梁体回落时活塞杆在橡胶垫圈的缓冲作用下，回落速度减缓，回落力也有所降低，避免了墩梁相碰时对墩和梁的损坏。

图2　球铰式竖向限位器布置

2　球铰式竖向限位器的设计

球铰式竖向限位器的主要作用是限制梁体的竖向“起跳”，同时满足梁体转动，因此设计的主要工作是计算竖向地震力，并验证其可行性。

地震力按梁体恒载及活载的7%简化计算，以此作为球铰式竖向限位器设计承载力的初步估算依据。其中恒载包括梁体结构自重和二期恒载（包括轨道结构、防水层以及防护墙等附属设施自重），活载按全梁双线满布ZK荷载计算。

本文以长昆客运专线9度地震区无砟轨道24 m简支箱梁为例，计算得全梁竖向地震力并乘1.6倍的安全系数后得到力为1 550 kN，每片梁上安装4个球铰式竖向限位器，则单个球铰式竖向限位器的限位力取400 kN，该力需通过地震仿真分析进一步确认。

3　球铰式竖向限位器的地震响应分析

3.1简支梁桥模型的建立及限位措施的说明

利用SAP2000建立两跨简支箱梁桥模型，主梁计算长度24.7 m，桥墩高度25 m，梁体材料采用C50混凝土；桥墩为变截面，桥墩下半部高度22 m，横截面尺寸为6.5 m×2.5 m，上半部高3 m，截面由6.5 m× 2.5 m渐变为8 m×3.2 m，墩底材料为C35混凝土，配筋率为1%，桥墩与地面固结。每跨主梁两端分别由2个支座支撑，支座采用单压摩擦摆支座，利用软件中的T/C Frition Isolator模拟。

根据球铰式竖向限位器的基本构造，在SAP2000中采用线性连接单元（Linear单元）模拟，上端与箱梁固结，下端与墩顶固结，竖向刚度设置为4×107N/m，水平方向不设置刚度值。每跨主梁的两端分别设置2个限位器，并且分别设置于支座的外侧。

3.2所选地震波及分析工况

为了计算在不同地震波下，竖向限位器的限位效果，分别选用了10条普通地震波和10条近断层地震波进行输入，表1仅列出普通地震波的信息。顺桥向输入“水平向1”地震波，横桥向输入“水平向2”地震波，竖向输入“竖向”地震波。

根据地震波的输入加速度峰值及水平向与竖向加速度比值不同，本文设立了2种工况，根据2种工况调整地震波峰值，对模型输入调整后的三向地震波，进行非线性时程分析。其中，2种工况设定如下：

工况1：输入普通地震波，并按《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2006）中的规定，在设防烈度为9度罕遇地震时，将普通地震波的水平向峰值调整为0.64g，竖向地震波峰值调整为水平向地震波峰值的65%。

工况2：输入近断层地震波，并将近断层地震波的水平向峰值调整为0.64g，竖向峰值调整为0.64×（V/H）（其中V为原始地震波竖向峰值，H为原始地震波水平向峰值）。

表1　普通地震波g

3.3工况1梁体响应及限位效果

根据工况1及计算方法，对模型在加设竖向限位器与未加设竖向限位器2种情况下分别进行非线性时程分析，计算边墩、中墩上部主梁与墩顶的竖向相对位移，然后对加设与未加设限位器2种情况下的竖向相对位移进行对比，并且根据计算结果分析限位器的限位效果。此外，提取其在相应地震作用下的极限力。

表2列出了不同地震波作用下，在加设与未加设竖向限位器时，上部结构与墩顶的最大相对位移及限位率，限位器最大拉力值。从表2可以看出，未加设限位器时会发生较大的与墩顶相脱离的位移，即上部结构会向上起跳。在加设竖向限位器后，上部结构与墩顶的相对位移值有较大幅度的降低。

表2　工况1竖向限位器限位情况及受力状态

为评价与量化球铰式竖向限位器的限位效果，本文采用限位率来表示，限位率=（D0-D1）/D0。从球铰式竖向限位器的限位率可以看出：竖向限位器在地震作用下，较好地发挥了竖向限位的作用，较大幅度地降低了上部结构的跳起程度，从而降低了落梁的风险。由此可见，球铰式竖向限位器能够较好地在地震来临时起到防止上部结构落梁的作用。

另外，表2列出了在各地震波作用下限位器的极限受力值，可见除个别地震波外，峰值均小于竖向限位器的设计承载力（400 kN），说明在地震作用过程中，竖向限位器在能发挥良好限位效果的同时，不会发生破坏。因此，此种工况下，现有限位器能够满足需要，也说明原设计中计算的限位器承载力是合适的。

3.4工况2梁体响应及限位效果

工况2采用近断层地震波，计算方法与工况1相同。计算后得到限位率平均值为75%；边墩、中墩限位器所受最大拉力多大于现有限位器的极限承载力400 kN，说明近断层地震波作用过程中，限位器有被破坏的风险。

因此，考虑安全因素对限位器的极限承载力进行加强，最终确定该桥的球铰式竖向限位器设计力为600 kN。

4　球铰式竖向限位器的力学性能试验

为了验证球铰式竖向限位器的转动性能和抗拉性能，对上述设计的600 kN球铰式竖向限位器进行试验。

转动试验结果表明：在设计的转动角度下，其转动几乎不受约束，并且转动荷载很小。

图3　抗拉性能试验荷载-时间曲线

抗拉性能试验对其施加1倍设计荷载的拉力，荷载均分4级加载，每级加载后稳压3min，加载的荷载-时间曲线如图3，如此连续加载3次。图4为加载3次的荷载-位移曲线。从图4可以看出：球铰式竖向限位器第1次加载达到设计荷载时，位移17mm；第2次、第3次加载到设计荷载时位移变小，说明每次加载时橡胶垫圈吸收了一定的能量，卸载后仍有残余应力。由此可知，球铰式竖向限位器在设计荷载下的位移为17mm，与设计相符；另外橡胶垫圈有一定的吸能效果，同时在梁体回落时可起到一定的缓冲作用，可降低墩梁的受损。

图4　抗拉性能试验荷载-位移曲线

5　结论

1）球铰式竖向限位器可较大幅度地降低上部结构的跳起程度，起到了很好的限位效果，从而降低落梁的风险。

2）球铰式竖向限位器的设计承载力需采用有限元进行验证，计算结果不满足时，对设计值进行必要的调整。

3）球铰式竖向限位器的转动性能与抗拉承载力满足设计要求。

［1］江辉.近断层地震地面运动峰值衰减规律研究［J］.北京交通大学学报，2011（4）：83-87.

［2］张显明，朱晞.近场竖向地震动对铁路桥梁地震反应的影响［J］.华北科技学院学报，2005（4）：30-33.

［3］黄小国，李建中.连续梁桥防落梁装置试验和理论研究［D］.上海：同济大学，2009.

［4］朱万旭.地震区简支梁桥防落梁装置的设计［J］.特种结构，2011（3）：66-70.

［5］孙广俊.考虑桥墩及支座影响的梁桥竖向地震反应分析［J］.工程力学，2012（10）：232-235.

（责任审编孟庆伶）

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

陈列（1962—），男，教授级高级工程师，硕士。