新型减隔震装置在高速铁路桥梁中的应用研究

研究目的:针对铁路简支梁桥的抗震设计特点,提出一种适用于高速铁路简支箱梁的新型软钢阻尼器——弹塑性限位减隔震装置,该装置可与常规桥梁支座共同作用,组成一种新的减隔震体系。以某高速铁路双线32 m简支箱梁为计算实例,结合试验研究成果,采用滑移三折线恢复力模型输入弹塑性限位减隔震装置的力学特性,利用非线性时程分析方法,对弹塑性限位减隔震装置的减隔震性能进行分析。研究结论:(1)采用滑移三折线模型,可以很好地模拟弹塑性限位减隔震装置的非线性特征,装置计算输出的滞回曲线与试验研究结果可以很好地吻合;(2)弹塑性限位减隔震装置可显著延长桥梁的自振周期,并通过装置的塑性变形耗能能力可以大幅降低桥墩的地震力,对于不同墩高的32 m简支箱梁桥,弹塑性限位减隔震装置均可以发挥良好的减隔震效果,罕遇地震下的减震率在55%以上,减震效果优良;(3)新型弹塑性限位减隔震装置,构造简单、施工方便、性能可靠,在工程造价有限增加的情况下,能以较小的代价将高速铁路常规简支梁桥的抗震设防等级由多遇地震提高到罕遇地震,社会与经济效应显著;(4)弹塑性限位减隔震装置可以有效地降低结构关键部位在地震作用下的位移,减小结构构件的地震力,确保结构在地震下的安全,在高速铁路桥梁抗震领域中将会有广阔的前景。     

地震作用下高速铁路简支箱梁桥横向偏心碰撞反应分析

随着高速铁路的快速发展,越来越多的高速铁路桥梁修建于地震区。我国高速铁路32m简支箱梁桥通常设置型钢挡块作为横向防落梁措施,强震作用下,桥梁上、下部结构由于动力特性的不同而发生不同相振动,从而引起挡块与垫石间的非线性碰撞。本文针对这种横向碰撞现象,建立考虑上部结构与垫石间偏心距、支座非线性和墩柱弹塑性的横向碰撞模型,通过非线性地震反应时程分析,评估防落梁措施的抗震性能,并研究二期恒载、桥墩线刚度、垫块类型及墩柱弹塑性等参数对结构地震响应的影响。结果表明:目前高铁桥梁中采用的防落梁措施对横向限位起到重要作用,强震作用下型钢挡块与垫石之间的碰撞可能引起桥墩破坏,在其间设置硬木垫块可以适当降低碰撞力,有效改善高铁桥梁体系的横向抗震性能。     

高速铁路简支梁钢阻尼减隔震支座设计与试验研究

基于减震、隔震原理,通过在球型钢支座上加装软钢屈服器类型的减震榫阻尼元件,研发一种适用于高烈度区高速铁路简支梁的钢阻尼减隔震支座。支座具有结构简单、物理模型明确、减隔震及耐久性能优异、能适应减震大位移要求、方便震后更换等特点。试验结果表明：支座竖向变形、摩擦系数和剪力销破断力实测值小于设计值,符合铁道行业标准和设计要求;支座滞回曲线形状较饱满,塑性变形能力很强,在多次循环荷载作用下仍具有良好耗能能力;支座减震率随地震强度增加而增大,完全能满足桥梁在罕遇地震工况下的减隔震性能要求。结合工程实例进行计算分析,结果表明支座减隔震效果明显,与振动台试验结论基本一致。     

九度地震区高铁简支梁减隔震体系适应性分析

研究目的:随着我国"十三五"铁路规划深入发展,西南山区将陆续修建多条高速铁路,然而西南山区地震带分布广泛、活动断层十分密集,许多铁路线不可避免地跨越或靠近地震断层,近断层地震带与其诱发的大地震灾害必将是影响高速铁路安全运营的主要因素,而传统的铁路桥梁减隔震措施难以满足近断层桥梁抗震要求。因此,本文针对9度地区典型铁路简支梁桥,提出多种减隔震措施,研究各种措施的本构模型,并采用数值模拟方法,开展近断层9度地震区典型铁路简支梁桥合理减隔震措施的对比分析研究。研究结论:(1)近断层强震作用下,采用球型钢支座、双曲面球型减隔震支座两种措施无法有效控制墩梁间的地震相对位移,且球型钢支座措施极易引起落梁震害,两种措施不适用于近断层桥梁抗震;(2)在近断层强震作用下,采用双曲面球型减隔震支座+减震卡榫的措施可有效降低桥墩内力和变形,减震卡榫能够很好地耗散地震能量,限制墩梁地震相对位移,该方案适用于近断层高速铁路桥梁抗震;(3)本研究成果可为近断层铁路简支梁桥的设计建造与抗震设防提供技术支撑。     

雄商高铁黄河特大桥纵向抗震体系设计研究北大核心

雄商高铁(雄安—商丘)黄河桥采用主跨(60+80+4×260+280+80+60)m的钢桁梁柔性拱桥,承载双线高速铁路,全桥纵向采用减隔震支座+黏滞阻尼器的减隔震方案,并设置纵向防落梁装置。由于主桥长度达1600 m,且桥墩数量多,因此地震作用下的非一致激励效应和不同桥墩位置处减隔震支座的减震差异性不可忽视。本文以该大桥为背景研究非一致激励地震作用以及双曲面减隔震支座的平面摩擦效应对高速铁路长联桥梁结构地震响应的影响,并给出减隔震支座、黏滞阻尼器和纵向防落梁的一体化抗震体系设计方案。结果表明:与一致激励地震相比,考虑非一致激励作用时支座的地震变形显著增加,最大位置处增加了1倍左右,而桥墩内力响应有小幅度下降;当不考虑双曲面减隔震支座的平面摩擦效应时,桥墩内力响应增加明显,其中高墩的墩底弯矩增加了40%左右。对于长联大跨度桥梁,可参考如下抗震设计原则:减隔震支座的变形需求考虑1/2支座的正常使用变形和支座地震变形的叠加。     

减震榫在高烈度地震区高速铁路连续梁桥中的应用研究

为探明减震榫在高烈度地震区高速铁路连续梁桥中的适用性,有效提高桥梁抗震性能,开展三向限位减震榫在高烈度地震区高速铁路桥梁抗震效果的对比分析及性能试验研究.以渝昆高铁某典型三跨混凝土连续梁桥为工程背景,对比分析普通支座、减隔震支座、减隔震支座+减震榫3种不同减震措施下桥梁的抗震性能.在此基础上,通过开展三向限位减震榫的足尺性能试验研究,获得了减震榫的滞回耗能曲线,以等效黏滞阻尼系数为耗能指标,获得其耗能能力与延性变形规律.研究结果表明:三向限位减震榫可有效降低固定墩的墩底内力,耗能能力随着榫顶位移增大而增大.相关成果可为处于强震区的铁路混凝土桥梁减震设计提供参考.     

轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响

轨道是限制铁路桥梁减隔震装置在地震中发挥耗能作用的一个可能因素。为了分析轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响,以高速铁路客运专线上两座采用不同减隔震装置的32m简支桥梁为对象,用非线性弹簧单元模拟道床的纵向位移阻力关系,建立地震作用下桥梁与轨道共同作用的线桥一体化计算模型,对其进行弹塑性地震响应分析。结果表明:轨道对铁路减隔震桥梁纵向自振频率的影响不可忽视,影响程度与道床阻力系数有关,随着道床阻力系数增加,结构的自振频率增大;轨道约束虽然对墩底的最大地震剪力影响不大,但对桥梁纵向地震位移和减隔震装置变形的影响出现增大和减小两种现象,设计时应考虑轨道约束产生的不利因素,适当提高相邻梁间的结构允许相对变形要求。     

九度地震区近断层高速铁路简支梁桥减隔震支座系统研究

通过对渝昆(重庆—昆明)高速铁路九度地震区近断层地震动人工地震波进行反应谱分析,发现近断层地震动比远场地震动对高速铁路简支梁桥结构安全威胁更大,提出采用双曲面球型减隔震支座+剪力榫组合的减隔震支座系统进行抗震设计,并对其减震原理予以阐述。以近断层人工地震波为地震动输入,分别对10 m高实心墩和20 m高空心墩的五跨简支梁进行非线性时程分析。以普通支座作为参照,对比分析双曲面球型减隔震支座和双曲面球型减隔震支座+剪力榫组合的减隔震支座系统的减震性能。结果表明,九度地震区近断层高速铁路简支梁桥须采用减隔震支座系统才能满足结构抗震设计要求。     

印尼雅万高铁时速350 km简支梁设计研究

印尼雅万高铁地处高烈度震区,部分地区地震动峰值加速度超过9度抗震设防烈度。减轻桥梁上部结构自重是减小地震力的有效方式,因此针对时速350 km的32 m简支箱梁进行优化设计。雅万高铁简支梁采用大规格预应力钢束,减小腹板厚度、减小梁高、减小底板厚度及宽度等方式减轻梁重,并进行车-桥动力仿真分析及足尺梁试验,验证简支梁静力、动力指标均满足要求。最终雅万高铁32 m简支箱梁梁体质量为696 t,有效降低了全桥地震效应,减少了工程投资,其研究方法和工程经验可供类似的项目借鉴。依托雅万高铁时速350 km简支梁,国铁集团发布了行业通用参考图-通桥(2018)2326,并在盐通铁路全线使用,取得了较好的经济效益和社会效益。     

高速铁路梁桥减隔震研究

研究目的:高速平稳行车的安全性、舒适性、巨大的列车活荷载对高速铁路桥梁支座的性能有着严格要求,一般的减隔震装置难以满足要求。因此,本文提出功能分离的设计理念,研发适用于高速铁路桥梁的功能分离型减隔震系统,并采用振动台试验验证功能分离型减隔震系统对高速铁路简支梁桥地震响应的控制效果。研究结论:(1)功能分离型减隔震系统工作后,桥面峰值加速度在不同烈度下减少幅度达30%~51%,证实了功能分离型减隔震系统的有效性,台面加速度被削弱程度仅与地震输入烈度大小有关,与输入地震波特性无关;(2)功能分离型减隔震系统工作机制遵循了本文建议的基于功能分离型减隔震系统的高速铁路桥梁减隔震设计原则;(3)地震强度对功能分离型减隔震系统的最大水平滑动位移影响较大,最大水平滑动位移随着地震强度的增大而增加,功能分离型减隔震系统复位状况良好,发挥了良好的滞回耗能和提供了足够的恢复力的功能,阻止能量向桥梁上部结构的传递;(4)调节功能分离型减隔震系统中的铅芯橡胶支座的水平刚度,可有效减小梁体在地震作用下的水平位移,提高功能分离型减隔震系统的适用性是进一步研究内容;(5)该研究结论可为减隔震技术在高速铁路简支桥梁中的设计和应用提供全新的思路和手段。     

E型钢阻尼支座的设计与减震性能分析

研究目的:本文介绍了E型钢阻尼支座的工作原理、设计方法、应用实例,并对其进行了有限元分析和试验室测试,验证其设计及其应用的可行性。另外对E型钢阻尼支座进行了实桥减震性能分析,分析其设计地震和罕遇地震下的相对位移和桥梁内力,验证其耗能效果。研究结论:本文对于E型钢阻尼支座的设计计算方法与有限元分析和试验室测试结果基本一致,说明该设计的正确性和可行性。实桥分析结果表明:(1)E型钢阻尼支座可有效减小简支梁桥的墩顶相对位移和墩底内力,满足抗震要求;(2)其滞回曲线饱满,说明E型钢阻尼支座的型钢耗能部件已经进入塑性阶段,且发挥了良好的耗能特性;(3)E型钢阻尼支座可有效减小桥梁的地震响应,从而保护桥梁结构避免在地震中破坏;(4)E型钢阻尼支座可推广应用于采用减隔震设计的铁路桥梁中。     

市域铁路简支箱梁结构设计研究

市域铁路作为城市轨道交通的延伸线路,在城市通勤、旅游、商业等方面发挥着重要作用。文章对市域铁路常用跨度简支梁的结构设计进行研究。通过Midas Civil软件建立简支梁模型,分析得出市域铁路ZS荷载跨中弯矩为城市轨道交通B型车荷载跨中弯矩的1.4倍,进而确定市域铁路常用跨度简支梁的合理梁高。并对支座到梁端的距离和支座横向间距进行研究,选择最优参数,保证梁的安全性和稳定性。同时,为进一步提升常用跨度标准简支梁的经济性,对采用高强钢绞线和普通钢绞线简支箱梁的造价进行对比。研究结论可为市域铁路常用跨度简支箱梁的设计提供参考依据。     

高烈度地震区曲线连续梁桥的减隔震方案研究

结合高烈度区铁路曲线连续梁桥的工程实例,通过引入减震率对铅芯隔震橡胶支座、双曲面球型减隔震支座以及双曲面球型减隔震支座+黏滞阻尼器3种减隔震方案进行对比分析。结果表明:在多维地震动作用下,3种减隔震方案均具有良好的减震效果,采用双曲面球型减隔震支座+黏滞阻尼器的方案既可有效发挥双曲面球型支座摆动摩擦耗能,又可通过黏滞阻尼器限制最大位移,从而减少了双向耦合作用,延长了结构周期。同时,该方案可有效减少固定墩的最大地震响应,将地震荷载均匀分配至各墩,并充分发挥双曲面球型隔震支座的自复位功能,对震后的修复十分有利,是最优方案。     

罕遇地震作用下高速铁路减隔震简支梁桥合理计算模型的探讨

以往在分析减隔震桥梁的地震响应时,由于考虑到桥墩和基础应保持弹性工作状态,在基于强度的设计中偏于安全考虑桥墩一般采用毛截面刚度建立弹性梁单元模型。实际上,在罕遇地震作用下,桥墩墩底截面虽然未达到屈服状态,仍然会出现保护层混凝土开裂,并导致桥墩刚度降低。此时,应考虑对桥墩刚度进行适当修正以估计桥梁的各项地震响应参数,这也有利于实现减隔震桥梁基于位移的抗震设计。结合西部高速铁路中典型的简支梁桥结构形式,分别采用弹塑性纤维梁柱单元、弹性梁柱单元、考虑刚度修正的弹性梁柱单元模拟桥墩建立3种计算模型,探讨适用于罕遇地震作用下的高速铁路减隔震桥梁的合理计算模型。结果表明,当罕遇地震作用下桥墩位移延性超过0.5时,考虑刚度修正的弹性梁柱单元模拟桥墩的计算模型能够较好地估计桥梁各项地震响应参数。     

高速铁路标准梁式桥技术创新与发展

我国高速铁路桥梁约占线路总长55%,主要以预应力混凝土简支箱梁和现浇预应力混凝土连续箱梁为主,其中标准跨度简支梁占全部桥梁长度的90%以上。经过多年的技术创新和积累,我国已经构建了标准梁式桥成套技术体系。回顾了我国铁路预应力混凝土梁的发展历程,对高速铁路桥梁技术参数体系、刚度和变形控制设计技术、制运架建造技术等进行总结和思考。基于高速铁路标准梁式桥应用经验的积累和信息化、智能化铁路建设需求,分析了未来的发展方向,提出既有标准梁优化及应用智能建造、运维技术的建议。     

典型简支梁桥纵向阻挡型防落梁装置作用机理研究

针对我国公路桥梁中典型的板式橡胶支座简支梁桥地震响应特点,就目前普遍采用的纵向阻挡型防落梁装置的作用机理及其适用范围进行研究分析,并在阻挡型防落梁装置限位效果不佳的情况下,提出采用连梁装置与阻挡型限位装置协同工作的新型组合型纵向防落梁装置,同时对这种组合型限位装置的作用机理进行介绍。     

液体黏滞阻尼器与双曲面球形减隔震支座联合应用研究

以某城际铁路105 m简支系杆拱桥为工程依托,采用液体黏滞阻尼器与双曲面球形减隔震支座联合作用方式,对结构进行罕遇地震下的抗震设计,以了解二者联合应用于减隔震设计时的特性。利用Midas/Civil软件,采用非线性时程分析方法,对液体黏滞阻尼器与双曲面球形减隔震支座分别应用于结构的减震效果,以及二者联合应用时的减震特性分别进行了分析。分析结果显示,液体黏滞阻尼器的减震效果要优于双曲面球形减隔震支座。在给定的减震目标下二者联合应用时,液体黏滞阻尼器的吨位及结构墩顶水平力均较单独使用有所降低,对阻尼器的布置及结构的抗震设计是有利的;双曲面球形减隔震支座对地震能量耗散小,支座的摩阻系数提高时虽然增大了地震能量消耗比,但增大了结构墩顶水平力与震后残余位移,对结构抗震是不利的;二者联合应用时,应结合设防结构自身特点与减隔震设计目标,选取合适的设计参数。     

基于能量法的铅芯橡胶支座隔震桥梁设计方法

依据能量平衡原理,建立隔震桥梁系统能量反应方程,将桥墩与铅芯橡胶支座串联,构建隔震桥梁能量反应的双线性分析模型.结合现行<铁路工程抗震规范>,合理选取40条强震记录作为地震输入,对不同周期的隔震桥梁系统进行非线性地震能量反应时程分析.结合铅芯橡胶支座本身的动力特性,给出具有统计意义的适用于Ⅰ类场地的桥梁隔震设计地震输入总能量谱.提出以地震输入隔震桥梁系统的能量达到铅芯橡胶支座的极限耗能作为破坏准则、由地震输入总能量谱得到地震输入能量、隔震度作为隔震目标、隔震支座位移延性比作为限制条件的减隔震桥梁设计方法.     

近断层高烈度地震区铁路简支梁桥减隔震方案研究

近断层地震往往给工程结构造成较大的破坏，现行《铁路工程抗震设计规范》对近断层、减隔震问题尚未考虑。以某近断层高烈度地震区铁路简支梁桥为研究对象，梳理了国内外相关规范对近断层桥梁抗震的要求，提出相应的减隔震设计原则、设防标准。采用MIDAS软件建立桥梁有限元模型，运用非线性时程分析方法，考虑近场地震特性，进行了基于双曲面球形减隔震、黏滞阻尼器减震以及新型回形钢阻尼减隔震支座的减隔震效果研究。研究结果表明，传统的铁路桥梁减隔震措施难以满足近断层桥梁抗震要求，回形钢阻尼减隔震支座具有位移大、阻尼力可调、养护维修少、安装方便等特点，对近断层高烈度地震区简支梁的减隔震设计适应性好。     

渝昆高铁典型连续梁桥地震易损性分析

为评估渝昆高铁典型三跨连续梁桥的抗震性能,基于概率地震需求分析方法对该桥进行理论地震易损性分析。选取渝昆高铁沿线实测地震动记录作为地震输入,考虑桥梁参数的不确定性,采用拉丁超立方抽样方法生成桥梁有限元模型样本库。基于增量动力时程分析方法,通过对桥梁样本库进行非线性时程分析,获得了各构件地震响应峰值,通过峰值响应与地震动峰值加速度的线性回归分析建立构件地震需求模型。进一步对比研究安装普通球型钢支座与双曲面球型减隔震支座桥梁的地震易损性曲线。研究结果表明:减隔震支座可有效降低制动墩易损概率,优化墩高不等的非规则桥梁结构的抗震性能。其研究方法与结论可为非规则连续梁桥抗震设计提供参考。