一種高速鐵路橋梁組合減震系統(tǒng)及其設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速鐵路橋梁組合減震系統(tǒng)及其設(shè)計方法，該組合減震系統(tǒng)用于減小和控制高速鐵路橋梁在強(qiáng)震中的損傷和破壞；首先基于功能分離式支座設(shè)計理念提出了采用抗震棒和拉索限位器的組合減震及限位系統(tǒng)設(shè)計方案，通過抗震棒屈服耗能來減小橋梁地震反應(yīng)，用拉索限位器來控制抗震棒的過大變形和防止落梁破壞；其次在性能抗震設(shè)計框架下，分別給出了抗震棒和拉索限位器在多遇地震、設(shè)計地震和罕遇地震下的設(shè)計方法；進(jìn)而可以降低高速鐵路橋梁的地震反應(yīng)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能，尤其適用于經(jīng)受近斷層脈沖型地震動的橋梁結(jié)構(gòu)。
【專利說明】一種高速鐵路橋梁組合減震系統(tǒng)及其設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于橋梁工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種組合減震系統(tǒng)及其抗震設(shè)計方法，更具體地說，是涉及一種采用抗震棒和拉索限位器的高速鐵路橋梁組合減震系統(tǒng)及其抗震設(shè)計方法。

【背景技術(shù)】
[0002]我國高速鐵路運行里程和建設(shè)規(guī)模已居世界前列，目前正逐步向西部省份延伸。我國西部地形多為山區(qū)，新構(gòu)造活動強(qiáng)烈且斷層(斷裂帶)發(fā)育廣泛，大的活動斷層可綿延數(shù)百乃至上千公里，具有高地震危險性。高速鐵路建設(shè)中橋梁占相當(dāng)大的比重，在西部其臨近或穿越活動斷層將不可避免，同時還可能存在未探明的隱伏活動斷層的影響，抗震問題突出。1999年建設(shè)中的臺灣高速鐵路遭遇了 Ms7.6級集集地震，隨即提高了抗震設(shè)防要求，在設(shè)計地震動方面則考慮了具有速度脈沖效應(yīng)的近斷層地震動，其被認(rèn)為是地震中較多公路橋梁嚴(yán)重破壞的主因。當(dāng)前我國高速鐵路橋梁抗震設(shè)計仍主要依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111-2006)，至2009年局部修訂時將高速鐵路橋梁抗震納入，尚缺少對近斷層地震動的特殊考慮。
[0003]橋梁減隔震設(shè)計是通過合適裝置來延長結(jié)構(gòu)周期和消耗地震能量，從而有效降低橋梁地震反應(yīng)的一種技術(shù)手段。據(jù)統(tǒng)計至上世紀(jì)末已建成上百座減隔震橋梁，多為公路橋梁及采用鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座減震方案，但在鐵路橋梁中也應(yīng)用和研究。部分臨近發(fā)震斷層橋梁也經(jīng)受了地震考驗，如土耳其的Bolu高架橋、冰島的Thjorsa River橋和Oseyrar橋，盡管遭受一定破壞，但也表明在具有速度脈沖效應(yīng)的近斷層地震動作用下仍具有較好的減震效果，若不采用減震設(shè)計可能情況更為糟糕。高速鐵路橋梁對支座及梁體的橫向位移限值的要求非常嚴(yán)格，上述裝置由于豎向或橫向剛度的不足，使其很難適用于高速鐵路橋梁的減震設(shè)計(于芳，溫留漢?黑沙，周福霖.設(shè)置限位器的雙向隔震鐵路橋梁動力響應(yīng)特性研究[J].土木工程學(xué)報.2010 (SI):345-351.)。
[0004]日本高速鐵路發(fā)展較早(新干線于1964年建成通車)且地震頻發(fā)，橋梁抗震設(shè)計值得借鑒，特別是支座和位移限位系統(tǒng)“功能分離(Funct1nal separat1n) ”的設(shè)計理念，其認(rèn)為地震時支座受力復(fù)雜及易于損壞，要求支座僅滿足正常使用下豎向承載及適應(yīng)梁體水平、轉(zhuǎn)動變位，而地震下梁體位移則由限位系統(tǒng)承受，包括各類鋼制剪力健、沖擊鎖定(液體阻尼裝置)等。臺灣高速鐵路橋梁中也采用了支座+限位剪力鍵的支承體系(張多平.鄭西客運專線渭南渭河特大橋設(shè)計綜述[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計.2009 (I I): 43-48.)。
[0005]目前“功能分離”支座設(shè)計理念已初步被我國高速鐵路設(shè)計人員接受，認(rèn)為是提高大震下橋梁耗能能力及實現(xiàn)減震設(shè)計的重要方法(張多平.鄭西客運專線渭南渭河特大橋設(shè)計綜述[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計.2009(11):43-48 ;李承根，高日.高速鐵路橋梁減震技術(shù)研究[J].中國工程科學(xué).2009, 11(1):81-86.)。但是，高速鐵路橋梁相比公路橋梁對梁體位移控制指標(biāo)要嚴(yán)格得多，采用抗震棒的高速鐵路橋梁，因抗震棒屈服后剛度很低，在罕遇地震下將難以有效控制墩梁相對位移，特別是在具有速度脈沖波形的近斷層地震動作用下更為致命(王炎，謝旭，申永剛.近場地震作用下鐵路減震橋梁地震響應(yīng)研究[J].鐵道學(xué)報.2012，34 (12): 102-109.)。當(dāng)前的基于功能的抗震設(shè)計缺乏完善的設(shè)計方法，也沒有引入拉索限位器來控制墩梁相對位移。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出采用抗震棒和拉索限位器構(gòu)成組合減震系統(tǒng)，在性能抗震設(shè)計框架下提供一種組合減震系統(tǒng)在多遇地震、設(shè)計地震和罕遇地震下的設(shè)計準(zhǔn)則和方法，其技術(shù)效果能夠克服上述缺陷，。
[0007]為達(dá)到以上目的，通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008]—種聞速鐵路橋梁組合減震系統(tǒng)，包括:橋梁結(jié)構(gòu)體系和減震結(jié)構(gòu)體系；其中橋梁結(jié)構(gòu)體系包括:主梁、橋墩、設(shè)置于橋墩頂部的墊石和設(shè)置于墊石頂部用于支撐主梁的支座；
[0009]減震結(jié)構(gòu)體系包括，抗震棒和拉索限位器；
[0010]抗震棒采用低屈服鋼制成，且由錨固段和變形段組成，錨固段錨固在橋墩中，變形段端部呈球狀并伸入到主梁中與主梁鉸接；
[0011]拉索限位器是將鋼絞線連接于主梁和橋墩之間，在橋墩左右各設(shè)置一個拉索限位器；
[0012]上述技術(shù)方案，基于功能分離式支座設(shè)計理念提出；
[0013]抗震棒的截面形狀和大小根據(jù)實際結(jié)構(gòu)確定；
[0014]在橋墩左右各設(shè)置一個拉索限位器，連接在橋墩與主梁間(通常通過輔件連接于主梁下端面)。
[0015]支座為具有較高豎向承載力活動盆式支座，置于墊石頂部和主梁之間，支座提供豎向承載力、具有一定的水平滑動變形能力。
[0016]進(jìn)而在地震中，通過抗震棒屈服耗能來減小橋梁地震反應(yīng)，用拉索限位器來控制抗震棒的過大變形和防止落梁破壞。
[0017]高速鐵路橋梁組合減震系統(tǒng)的具體設(shè)計方法包括如下步驟:
[0018]步驟一,對抗震棒進(jìn)行推倒(Pushover)分析,通過控制抗震棒的應(yīng)變來確定其不同階段的位移值，包括彈性位移限值D1、設(shè)計位移D2和設(shè)計極限位移D3。
[0019]步驟二，在正常使用階段和多遇地震下進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計，即不考慮盆式活動支座對水平剛度的貢獻(xiàn)，按初步確定抗震棒的數(shù)量并采用抗震棒彈性剛度，以多振型分解反應(yīng)譜法驗算抗震棒的強(qiáng)度；若抗震棒變形超過彈性位移限值D1，則需增加抗震棒數(shù)量、重新驗算，直到滿足要求。
[0020]步驟三，設(shè)計地震下驗算抗震棒的位移；相對規(guī)則橋梁簡化抗震設(shè)計可采用等效線性化方法，假定設(shè)計位移D2后確定抗震棒的等效剛度，而將等效阻尼比忽略或作為安全貯備，以多振型分解反應(yīng)譜法驗算抗震棒的位移值小于設(shè)計準(zhǔn)則中的位移限值。非規(guī)則及較為復(fù)雜橋梁采用非線性時程分析法。
[0021]步驟四，拉索限位器的設(shè)計；當(dāng)抗震棒達(dá)到及超過設(shè)計地震下的設(shè)計位移D2時拉索限位器開始工作，拉索限位器間隙即為抗震棒的設(shè)計位移D2;拉索限位器的剛度需要通過非線性時程分析法及試算的方法確定，初次試算剛度的確定:當(dāng)抗震棒的變形從限位器發(fā)揮作用到抗震棒達(dá)到極限位移時，限位器與抗震棒的恢復(fù)力增量之和不低于上部結(jié)構(gòu)重量的0.025倍。
[0022]本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0023]1.傳力路徑明確。高速鐵路組合減震系統(tǒng)是基于功能分離設(shè)計理念提出的，支座承擔(dān)正常使用下豎向承載及適應(yīng)梁體水平、轉(zhuǎn)動變位，抗震棒抵抗使用下的水平變形和中小地震下的變形并消耗地震能量，限位器來控制抗震棒的過大變形和防止落梁破壞。
[0024]2.高速鐵路橋梁的性能水準(zhǔn)明確。組合減震系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)以位移表示并作為設(shè)計變量，在設(shè)計初始就明確了工程結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)，通過設(shè)計能使工程結(jié)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)性能水準(zhǔn)。
[0025]3.能確保高速鐵路橋梁的抗震能力。采用減震系統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)極大的減小了下部結(jié)構(gòu)的地震力，以減震系統(tǒng)位移作為設(shè)計變量，容易控制整體結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)，確保高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]本發(fā)明共4幅附圖，其中:
[0027]圖1為本發(fā)明的組合減震系統(tǒng)沿橫向橋向的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為本發(fā)明的組合減震系統(tǒng)沿縱向橋向的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖3為本發(fā)明的鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖。
[0030]圖4為本發(fā)明的抗震棒力-位移曲線示意圖。
[0031]圖中I和圖2:1、抗震棒，2、拉索限位器，3、主梁，4、橋墩，5、墊石，6、支座，7、輔件。
[0032]圖3: σ表示應(yīng)力，ε表示應(yīng)變，A點對應(yīng)的應(yīng)變值為0.3%，B點對應(yīng)的應(yīng)變值為7%，C點對應(yīng)的應(yīng)變值為13%。
[0033]圖4:F表示力，D表示位移，D1表示彈性位移限值、D2表示設(shè)計位移、D3表示設(shè)計極限位移。

【具體實施方式】
[0034]如圖1和圖2所不的一種聞速鐵路橋梁組合減震系統(tǒng)，包括:橋梁結(jié)構(gòu)體系和減震結(jié)構(gòu)體系；其中橋梁結(jié)構(gòu)體系包括:主梁3、橋墩4、設(shè)置于橋墩4頂部的墊石5和設(shè)置于墊石5頂部用于支撐主梁3的支座6 ；
[0035]減震結(jié)構(gòu)體系包括，抗震棒I和拉索限位器2 ；
[0036]抗震棒I采用低屈服鋼制成，且由錨固段和變形段組成，錨固段錨固在橋墩中，變形段端部呈球狀并伸入到主梁3中與主梁3鉸接；
[0037]拉索限位器2是將鋼絞線連接于主梁3和橋墩4之間，在橋墩左右各設(shè)置一個拉索限位器2 ；
[0038]上述技術(shù)方案，基于功能分離式支座設(shè)計理念提出；
[0039]抗震棒I的截面形狀和大小根據(jù)實際結(jié)構(gòu)確定；
[0040]在橋墩左右各設(shè)置一個拉索限位器2，連接在橋墩與主梁間(通常通過輔件7連接于主梁下端面)。
[0041]支座為具有較高豎向承載力活動盆式支座，置于墊石頂部和主梁之間，支座提供豎向承載力、具有一定的水平滑動變形能力。
[0042]進(jìn)而在地震中，通過抗震棒I屈服耗能來減小橋梁地震反應(yīng)，用拉索限位器2來控制抗震棒I的過大變形和防止落梁破壞。
[0043]高速鐵路橋梁組合減震系統(tǒng)的設(shè)計方法包括如下步驟:
[0044]步驟一,對抗震棒I進(jìn)行推倒(Pushover)分析,通過控制抗震棒I的應(yīng)變來確定其不同階段的位移值，包括彈性位移限值D1、設(shè)計位移D2和設(shè)計極限位移D3。
[0045]鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，圖中A點處于屈服臨界狀態(tài)，對應(yīng)的應(yīng)變值為
0.3% ；B點基本處在鋼材的屈服平臺段和強(qiáng)化初始階段之間，應(yīng)變值近似取7% ；C點處在鋼材屈服后的強(qiáng)化段，接近應(yīng)力峰值點，應(yīng)變值控制在13%以內(nèi)。采用有限元軟件對抗震棒I進(jìn)行靜力彈塑性推倒分析，得到如圖4所示的力-位移曲線，A點、B點和C點分別對應(yīng)的位移值為彈性位移限值D1、設(shè)計位移D2和設(shè)計極限位移D3。
[0046]步驟二，在正常使用階段和多遇地震下進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計，即不考慮盆式活動支座對水平剛度的貢獻(xiàn)，按初步確定抗震棒I的數(shù)量并采用抗震棒I彈性剛度，以多振型分解反應(yīng)譜法驗算抗震棒I的強(qiáng)度；若抗震棒I變形超過彈性位移限值D1，則需增加抗震棒I數(shù)量、重新驗算，直到滿足要求。
[0047]多遇地震作用下，抗震棒I處于彈性工作狀態(tài)，鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線控制在圖3中A點以內(nèi)，對應(yīng)彈性位移限值為D1。
[0048]步驟三，設(shè)計地震下驗算抗震棒I的位移。相對規(guī)則橋梁簡化抗震設(shè)計可采用等效線性化方法，假定設(shè)計位移D2后確定抗震棒I的等效剛度，而將等效阻尼比忽略或作為安全貯備，以多振型分解反應(yīng)譜法驗算抗震棒I的位移值小于設(shè)計準(zhǔn)則中的位移限值。非規(guī)則及較為復(fù)雜橋梁采用非線性時程分析法。
[0049]設(shè)計地震作用下，抗震棒I允許發(fā)生一定的塑性變形，應(yīng)力最大點控制在圖3中的B點以內(nèi)，基本處在鋼材的屈服平臺段和強(qiáng)化初始階段之間，計算得到抗震棒I設(shè)計位移為D2。
[0050]鐵路橋梁抗震設(shè)計通常允許橋墩在設(shè)計地震下發(fā)生可修復(fù)的塑性損傷，為保證抗震棒I先于橋墩發(fā)生塑性屈服，要求橋墩的設(shè)計屈服強(qiáng)度大于抗震棒I的實際屈服強(qiáng)度。因高速鐵路橋梁較多地采用鋼筋混凝土實體墩，一般能夠滿足以上要求。
[0051]步驟四，拉索限位器2的設(shè)計。當(dāng)抗震棒I達(dá)到及超過設(shè)計地震下的設(shè)計位移D2時拉索限位器2開始工作，拉索限位器2間隙即為抗震棒I的設(shè)計位移D2 ;拉索限位器2的剛度需要通過非線性時程分析法及試算的方法確定，初次試算剛度的確定:當(dāng)抗震棒I的變形從限位器2發(fā)揮作用到抗震棒I達(dá)到極限位移時，限位器2與抗震棒I的恢復(fù)力增量之和不低于上部結(jié)構(gòu)重量的0.025倍。
[0052]罕遇地震作用下，抗震棒I允許出現(xiàn)較大的塑性變形，應(yīng)力最大點控制在圖3中的C點以內(nèi)，處在鋼材屈服后的強(qiáng)化段，抗震棒I的設(shè)計極限位移為D3。
[0053]綜上，抗震棒和拉索限位器組成的組合減震系統(tǒng)及其設(shè)計方法，該組合減震系統(tǒng)用于減小和控制高速鐵路橋梁在強(qiáng)震中的損傷和破壞；
[0054]首先基于功能分離式支座設(shè)計理念提出了采用抗震棒和拉索限位器的組合減震及限位系統(tǒng)設(shè)計方案，通過抗震棒屈服耗能來減小橋梁地震反應(yīng)，用拉索限位器來控制抗震棒的過大變形和防止落梁破壞。
[0055]其次在性能抗震設(shè)計框架下，分別給出了抗震棒和拉索限位器在多遇地震、設(shè)計地震和罕遇地震下的設(shè)計方法；進(jìn)而本發(fā)明可以降低高速鐵路橋梁的地震反應(yīng)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能，尤其適用于經(jīng)受近斷層脈沖型地震動的橋梁結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種高速鐵路橋梁組合減震系統(tǒng)，包括:橋梁結(jié)構(gòu)體系和減震結(jié)構(gòu)體系；其中橋梁結(jié)構(gòu)體系包括:主梁(3)、橋墩(4)、設(shè)置于橋墩(4)頂部的墊石(5)和設(shè)置于墊石(5)頂部用于支撐主梁⑶的支座(6)； 其特征在于:減震結(jié)構(gòu)體系包括，抗震棒(I)和拉索限位器(2); 所述抗震棒(I)采用低屈服鋼制成，且由錨固段和變形段組成，錨固段錨固在橋墩中，變形段端部呈球狀并伸入到主梁(3)中與主梁(3)鉸接； 所述拉索限位器(2)是將鋼絞線連接于主梁(3)和橋墩(4)之間，在橋墩左右各設(shè)置一個拉索限位器(2)。
2.一種高速鐵路橋梁組合減震系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一，對抗震棒(I)進(jìn)行推倒分析，通過控制抗震棒(I)的應(yīng)變來確定其不同階段的位移值，包括彈性位移限值D1、設(shè)計位移D2和設(shè)計極限位移D3 ； 步驟二，在正常使用階段和多遇地震下進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計，即不考慮盆式活動支座對水平剛度的貢獻(xiàn)，按初步確定抗震棒(I)的數(shù)量并采用抗震棒(I)彈性剛度，以多振型分解反應(yīng)譜法驗算抗震棒(I)的強(qiáng)度；若抗震棒(I)變形超過彈性位移限值D1，則需增加抗震棒(I)數(shù)量、重新驗算，直到滿足要求； 步驟三，設(shè)計地震下驗算抗震棒(I)的位移；相對規(guī)則橋梁簡化抗震設(shè)計可采用等效線性化方法，假定設(shè)計位移D2后確定抗震棒(I)的等效剛度，而將等效阻尼比忽略或作為安全貯備，以多振型分解反應(yīng)譜法驗算抗震棒(I)的位移值小于設(shè)計準(zhǔn)則中的位移限值；非規(guī)則及較為復(fù)雜橋梁采用非線性時程分析法； 步驟四，拉索限位器(2)的設(shè)計；當(dāng)抗震棒(I)達(dá)到及超過設(shè)計地震下的設(shè)計位移D2時拉索限位器(2)開始工作，拉索限位器(2)間隙即為抗震棒(I)的設(shè)計位移D2 ;拉索限位器(2)的剛度需要通過非線性時程分析法及試算的方法確定，初次試算剛度的確定:當(dāng)抗震棒(I)的變形從限位器(2)發(fā)揮作用到抗震棒(I)達(dá)到極限位移時，限位器與抗震棒(I)的恢復(fù)力增量之和不低于上部結(jié)構(gòu)重量的0.025倍。
【文檔編號】E01D19/00GK104153288SQ201410441128
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】石巖, 王東升, 孫治國, 華承俊 申請人:大連海事大學(xué)