铁路桥梁支座减震技术研究

张通乐

摘要：现阶段，随着社会的发展，科学技术的发展也有了很大的提高。高速铁路桥梁一般都会采用静定结构，设计比较简单，但是系统中的支座系统是由于与道床、钢轨之间的相互作用，构造比较复杂。根据高速铁路支座系统的要求，本文从我国铁路桥梁的基本概况和国家桥梁设计基本要求入手，分析近些年自然灾害发生时铁路桥梁的情况及遇到的问题，进行支座减震系统的设计和测试，得出恰当的结论。

关键词：铁路桥梁;支座减震;技术研究

中图分类号：U442.55

文献标识码：A

文章编号：1674—3024（2019）06—0061—02

引言

我国正处于高速铁路快速发展的重要时期，为了节约珍贵的土地资源，高速铁路（客运专线）在建设过程中大量采用“以桥代路”的理念。据统计桥梁比例已达到高速铁路线路总长度的70%～80%左右，在这当中绝大部分是简支箱梁桥。作为一种新时代的运输方式，高速铁路相比于其他运输方式具有安全性好、舒适度好、速度快及高密度运行等特点，为了满足高速列车在运行过程中的安全性和平顺性指标，高铁桥梁普遍采用重力墩，箱梁的重量及尺寸比普通桥梁大得多，桥梁的整体刚度因此大大提高，结构的地震响应明显增大。我国地处欧亚地震带和环太平洋地震带之间，是一个地震灾害严重的国家，采用传统延性设计的重力墩在超出设计地震烈度的强烈地震下容易遭受严重破坏。为了保证高速铁路的安全运行，将已经在普通桥梁中应用的隔震技术引入到高铁桥梁中无疑是一种好的解决办法。

1 我国铁路桥梁支座系统的概况

静定结构系统设计简单，在铁路桥梁中普遍采用。而在实际的应用操作中，静定结构系统中的支座系统又与钢轨、道床、铁路互相作用、影响，进而形成复雜的构造，特殊的体系。因此在操作过程中，只能对铁路支座不同的方案采取不同的操作。静定结构在设计中，铁路路线由于会出现平坦、崎岖等状况，也会遇到河流等地形，因此，会根据当地地形构造的不同进行合理、科学、经济设计。

2 桥梁模型

本文以某高铁六跨简支梁桥为计算模型，桥梁每跨跨度32m，每跨两端桥墩的形状配筋尺寸均相同，每个桥墩顶部布置四个摩擦摆支座。该桥梁的主要参数如下：桥墩墩高为23.5m，为C35圆端型截面，采用Mander本构，钢筋为HRB400，采用双线性本构。主梁采用预应力混凝土C50，其余混凝土均为C40。桥梁所在场地特征周期为0.45s，设防烈度为8度（0.3g），场地类别I类。使用有限元软件SAP2000进行建模，计算模型如图1。摩擦摆支座采用SAP2000中的FrictionIsolator连接单元模拟，减震榫采用Plastic（Wen）连接单元来模拟，桥墩中混凝土和钢筋均采用纤维模型。在SAP2000可以定义混凝土的Mander本构，考虑无约束混凝土、约束混凝土，并使用纤维截面划分钢筋混凝土单元。根据纵筋的直径、间距及箍筋的数量、直径，按照等量原则估算约束混凝土的提高作用。本文所选用的摩擦摆支座为摩擦单摆式阻尼支座，该支座的球面曲率半径为1.5m，球面摩擦系数为0.03，竖向设计承载力为5000kN，设计极限位移为80mm。与摩擦摆支座共同作用的减震榫实际上是一种软钢阻尼器，是典型的悬臂梁结构，属于纯弯构件，其构造见图2。减震榫的主体采用圆形截面，分为AB过渡段和BC核心耗能段，AB段截面直径呈线性变化，BC段截面直径变化满足等强度要求，为保证减震榫表面圆滑，AB段与BC段在B点相切。铁路桥梁支座在实际的运用过程中还存在一定的问题，主要有：（1）地震灾害中，铁路桥梁支座螺栓受到重创后发生断裂等现象，支座装置被彻底破坏，失去应有的功能，发生上下盘错位的现象。（2）桥墩在震后出现的裂缝较为严重，并且裂缝前后贯通，局部地区已经出现坍塌、崩裂等症状。从这次的地震中可看出，传统的铁路桥梁抗震在设计过程中，存在着严重的问题、弊端，有效解决这些问题的最佳方法便是引进先进、科学的减震设计。

3 铁路桥梁支座减震原理、设计理念、方法

铁路桥梁支座减震设计有减隔震技术、延性抗震设计两种。其中，减隔震技术就是减少地面与结构的力量，在减震装置的作用下将两者分离。而延性抗震设计主要是利用系统结构的延伸优势来发挥其作用，达到抗震的效果。就桥墩而言，抗震的原理是塑性改变，而在实际中，又形成了不稳定性结构，因此在此基础上采用延性抗震设计，进而控制塑性变形。根据铁路桥梁支座功能分离的理念，改变设计思想和设计方法，把固定的支座改为可以活动的支座，在桥墩与桥梁之间设置减震材料。

4 通过实验进一步测试铁路桥梁支座减震效果

4.1 有针对性的进行减震效果测试

实验中采用桥梁橡胶支座系统测试减震效果，在列车的通行中观察，其所受到的振动是否在规定范围之内。并且对数据进行记录、分析，在此基础上进一步研发新型减震系统，改善其不合理的系统。

4.2 采用两种方法进行减震效果测试

（1）实验中对桥墩安装不同的支座，一种是安装橡胶支座，另一种是无橡胶支座，这两种情况下如果受到超负荷的冲击会产生什么样的抗震效果，对其进行计算，通过计算对比，选出最佳的支座减震系统。（2）采用冲击振动法，对地面不同程度、距离的振动，进一步比较有无橡胶支座的情况下，哪一种减震效果更好。通过两种测试方法得出以下结论：在铁路桥梁支座的减震系统中，采用橡胶支座具有一定的减震效果，但在测试中也存在其他因素的影响效果。因此，在以后的研究、设计中，橡胶支座是最佳的选取材料，在相互因素的结合考虑下，才能研发出更加具有减震效果的支座系统。

4.3 抗震强度及稳定性验算

桥梁的抗震设计要根据安全和经济两方面统筹考虑，针对不同强度的地震采取不同的设计方法和要求。《铁路工程抗震设计规范》规定设计烈度为7度及7度以上时，要按规定进行抗震设计及验算，设计烈度高于9度或有特殊要求的建筑物及新型结构应进行专门研究设计。桥梁抗震验算的荷载组合为地震作用与恒载和活载的最不利组合。其中，恒载包括结构自重、土压力、静水压力及浮力，活载包括活载重力、离心力及列车活载产生的土压力。桥梁抗震强度及稳定性验算一般只需考虑水平地震荷载，并在顺桥和横桥两个方向分别进行计算，主要验算地基承载力、桥墩的水平地震荷載及内力、桥台的土压力和水平地震力等。

4.4 设计方法

对一般桥梁工程，可按规范所规定的简化方法进行结构抗震设计。我国规范是采用反应谱理论进行抗震设计，即根据设计烈度，以简便的地震荷载系数计算地震惯性力，作为地震荷载，然后以一般结构静力计算步骤求得结构最大内力和变位，使其控制在规范容许值的范围内来确保结构的抗震安全。对大跨度或特别重要的桥梁结构，应对结构进行地震动力分析（地震反应分析）。分析的方法一般是直接根据建桥地区在强震时地面运动的加速度记录，依照动力学的原理，应用电子计算技术，对结构作地震动力分析计算。对于已经建成的桥梁结构，如不满足现行规范抗震设防的要求，也可通过结构地震动力分析作进一步的抗震鉴定和决定最优加固方案。

5 结语

静力结构设计简单，在铁路桥梁支座减震系统中普遍运用，但由于受到轨道、列车、道床之间的相互影响、作用，其构造变得更为复杂，因此，在设计中一定要考虑到其他因素的存在，进行综合考虑。本文在支座设计方法、理念、原理的基础上，研究了铁路桥梁支座减震效果，设计过程中，一定要考虑除了基本的结构以外，增加一些零部件来补偿、适应桥梁支座的特殊要求，达到支座最佳优越性，起到减震的效果。

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