一种高速铁路桥梁组合减震系统及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种高速铁路桥梁组合减震系统及其设计方法，该组合减震系统用于减小和控制高速铁路桥梁在强震中的损伤和破坏；首先基于功能分离式支座设计理念提出了采用抗震棒和拉索限位器的组合减震及限位系统设计方案，通过抗震棒屈服耗能来减小桥梁地震反应，用拉索限位器来控制抗震棒的过大变形和防止落梁破坏；其次在性能抗震设计框架下，分别给出了抗震棒和拉索限位器在多遇地震、设计地震和罕遇地震下的设计方法；进而可以降低高速铁路桥梁的地震反应，提高了结构的抗震性能，尤其适用于经受近断层脉冲型地震动的桥梁结构。
【专利说明】一种高速铁路桥梁组合减震系统及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于桥梁工程【技术领域】，涉及一种组合减震系统及其抗震设计方法，更具体地说，是涉及一种采用抗震棒和拉索限位器的高速铁路桥梁组合减震系统及其抗震设计方法。
【背景技术】
[0002]我国高速铁路运行里程和建设规模已居世界前列，目前正逐步向西部省份延伸。我国西部地形多为山区，新构造活动强烈且断层(断裂带)发育广泛，大的活动断层可绵延数百乃至上千公里，具有高地震危险性。高速铁路建设中桥梁占相当大的比重，在西部其临近或穿越活动断层将不可避免，同时还可能存在未探明的隐伏活动断层的影响，抗震问题突出。1999年建设中的台湾高速铁路遭遇了 Ms7.6级集集地震，随即提高了抗震设防要求，在设计地震动方面则考虑了具有速度脉冲效应的近断层地震动，其被认为是地震中较多公路桥梁严重破坏的主因。当前我国高速铁路桥梁抗震设计仍主要依据《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)，至2009年局部修订时将高速铁路桥梁抗震纳入，尚缺少对近断层地震动的特殊考虑。
[0003]桥梁减隔震设计是通过合适装置来延长结构周期和消耗地震能量，从而有效降低桥梁地震反应的一种技术手段。据统计至上世纪末已建成上百座减隔震桥梁，多为公路桥梁及采用铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座减震方案，但在铁路桥梁中也应用和研究。部分临近发震断层桥梁也经受了地震考验，如土耳其的Bolu高架桥、冰岛的Thjorsa River桥和Oseyrar桥，尽管遭受一定破坏，但也表明在具有速度脉冲效应的近断层地震动作用下仍具有较好的减震效果，若不采用减震设计可能情况更为糟糕。高速铁路桥梁对支座及梁体的横向位移限值的要求非常严格，上述装置由于竖向或横向刚度的不足，使其很难适用于高速铁路桥梁的减震设计(于芳，温留汉?黑沙，周福霖.设置限位器的双向隔震铁路桥梁动力响应特性研究[J].土木工程学报.2010 (SI):345-351.)。
[0004]日本高速铁路发展较早(新干线于1964年建成通车)且地震频发，桥梁抗震设计值得借鉴，特别是支座和位移限位系统“功能分离(Funct1nal separat1n) ”的设计理念，其认为地震时支座受力复杂及易于损坏，要求支座仅满足正常使用下竖向承载及适应梁体水平、转动变位，而地震下梁体位移则由限位系统承受，包括各类钢制剪力健、冲击锁定(液体阻尼装置)等。台湾高速铁路桥梁中也采用了支座+限位剪力键的支承体系(张多平.郑西客运专线渭南渭河特大桥设计综述[J].铁道标准设计.2009 (I I): 43-48.)。
[0005]目前“功能分离”支座设计理念已初步被我国高速铁路设计人员接受，认为是提高大震下桥梁耗能能力及实现减震设计的重要方法(张多平.郑西客运专线渭南渭河特大桥设计综述[J].铁道标准设计.2009(11):43-48 ;李承根，高日.高速铁路桥梁减震技术研究[J].中国工程科学.2009, 11(1):81-86.)。但是，高速铁路桥梁相比公路桥梁对梁体位移控制指标要严格得多，采用抗震棒的高速铁路桥梁，因抗震棒屈服后刚度很低，在罕遇地震下将难以有效控制墩梁相对位移，特别是在具有速度脉冲波形的近断层地震动作用下更为致命(王炎，谢旭，申永刚.近场地震作用下铁路减震桥梁地震响应研究[J].铁道学报.2012，34 (12): 102-109.)。当前的基于功能的抗震设计缺乏完善的设计方法，也没有引入拉索限位器来控制墩梁相对位移。
【发明内容】
[0006]本发明提出采用抗震棒和拉索限位器构成组合减震系统，在性能抗震设计框架下提供一种组合减震系统在多遇地震、设计地震和罕遇地震下的设计准则和方法，其技术效果能够克服上述缺陷，。
[0007]为达到以上目的，通过以下技术方案实现的:
[0008]—种闻速铁路桥梁组合减震系统，包括:桥梁结构体系和减震结构体系；其中桥梁结构体系包括:主梁、桥墩、设置于桥墩顶部的垫石和设置于垫石顶部用于支撑主梁的支座；
[0009]减震结构体系包括，抗震棒和拉索限位器；
[0010]抗震棒采用低屈服钢制成，且由锚固段和变形段组成，锚固段锚固在桥墩中，变形段端部呈球状并伸入到主梁中与主梁铰接；
[0011]拉索限位器是将钢绞线连接于主梁和桥墩之间，在桥墩左右各设置一个拉索限位器；
[0012]上述技术方案，基于功能分离式支座设计理念提出；
[0013]抗震棒的截面形状和大小根据实际结构确定；
[0014]在桥墩左右各设置一个拉索限位器，连接在桥墩与主梁间(通常通过辅件连接于主梁下端面)。
[0015]支座为具有较高竖向承载力活动盆式支座，置于垫石顶部和主梁之间，支座提供竖向承载力、具有一定的水平滑动变形能力。
[0016]进而在地震中，通过抗震棒屈服耗能来减小桥梁地震反应，用拉索限位器来控制抗震棒的过大变形和防止落梁破坏。
[0017]高速铁路桥梁组合减震系统的具体设计方法包括如下步骤:
[0018]步骤一,对抗震棒进行推倒(Pushover)分析,通过控制抗震棒的应变来确定其不同阶段的位移值，包括弹性位移限值D1、设计位移D2和设计极限位移D3。
[0019]步骤二，在正常使用阶段和多遇地震下进行强度设计，即不考虑盆式活动支座对水平刚度的贡献，按初步确定抗震棒的数量并采用抗震棒弹性刚度，以多振型分解反应谱法验算抗震棒的强度；若抗震棒变形超过弹性位移限值D1，则需增加抗震棒数量、重新验算，直到满足要求。
[0020]步骤三，设计地震下验算抗震棒的位移；相对规则桥梁简化抗震设计可采用等效线性化方法，假定设计位移D2后确定抗震棒的等效刚度，而将等效阻尼比忽略或作为安全贮备，以多振型分解反应谱法验算抗震棒的位移值小于设计准则中的位移限值。非规则及较为复杂桥梁采用非线性时程分析法。
[0021]步骤四，拉索限位器的设计；当抗震棒达到及超过设计地震下的设计位移D2时拉索限位器开始工作，拉索限位器间隙即为抗震棒的设计位移D2;拉索限位器的刚度需要通过非线性时程分析法及试算的方法确定，初次试算刚度的确定:当抗震棒的变形从限位器发挥作用到抗震棒达到极限位移时，限位器与抗震棒的恢复力增量之和不低于上部结构重量的0.025倍。
[0022]本发明具有以下优点和有益效果:
[0023]1.传力路径明确。高速铁路组合减震系统是基于功能分离设计理念提出的，支座承担正常使用下竖向承载及适应梁体水平、转动变位，抗震棒抵抗使用下的水平变形和中小地震下的变形并消耗地震能量，限位器来控制抗震棒的过大变形和防止落梁破坏。
[0024]2.高速铁路桥梁的性能水准明确。组合减震系统及结构性能目标以位移表示并作为设计变量，在设计初始就明确了工程结构的性能水准，通过设计能使工程结构达到目标性能水准。
[0025]3.能确保高速铁路桥梁的抗震能力。采用减震系统的桥梁结构极大的减小了下部结构的地震力，以减震系统位移作为设计变量，容易控制整体结构的性能状态，确保高速铁路桥梁结构的抗震能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]本发明共4幅附图，其中:
[0027]图1为本发明的组合减震系统沿横向桥向的结构示意图。
[0028]图2为本发明的组合减震系统沿纵向桥向的结构示意图。
[0029]图3为本发明的钢材应力-应变曲线示意图。
[0030]图4为本发明的抗震棒力-位移曲线示意图。
[0031]图中I和图2:1、抗震棒，2、拉索限位器，3、主梁，4、桥墩，5、垫石，6、支座，7、辅件。
[0032]图3: σ表示应力，ε表示应变，A点对应的应变值为0.3%，B点对应的应变值为7%，C点对应的应变值为13%。
[0033]图4:F表示力，D表示位移，D1表示弹性位移限值、D2表示设计位移、D3表示设计极限位移。
【具体实施方式】
[0034]如图1和图2所不的一种闻速铁路桥梁组合减震系统，包括:桥梁结构体系和减震结构体系；其中桥梁结构体系包括:主梁3、桥墩4、设置于桥墩4顶部的垫石5和设置于垫石5顶部用于支撑主梁3的支座6 ；
[0035]减震结构体系包括，抗震棒I和拉索限位器2 ；
[0036]抗震棒I采用低屈服钢制成，且由锚固段和变形段组成，锚固段锚固在桥墩中，变形段端部呈球状并伸入到主梁3中与主梁3铰接；
[0037]拉索限位器2是将钢绞线连接于主梁3和桥墩4之间，在桥墩左右各设置一个拉索限位器2 ；
[0038]上述技术方案，基于功能分离式支座设计理念提出；
[0039]抗震棒I的截面形状和大小根据实际结构确定；
[0040]在桥墩左右各设置一个拉索限位器2，连接在桥墩与主梁间(通常通过辅件7连接于主梁下端面)。
[0041]支座为具有较高竖向承载力活动盆式支座，置于垫石顶部和主梁之间，支座提供竖向承载力、具有一定的水平滑动变形能力。
[0042]进而在地震中，通过抗震棒I屈服耗能来减小桥梁地震反应，用拉索限位器2来控制抗震棒I的过大变形和防止落梁破坏。
[0043]高速铁路桥梁组合减震系统的设计方法包括如下步骤:
[0044]步骤一,对抗震棒I进行推倒(Pushover)分析,通过控制抗震棒I的应变来确定其不同阶段的位移值，包括弹性位移限值D1、设计位移D2和设计极限位移D3。
[0045]钢材应力-应变曲线如图3所示，图中A点处于屈服临界状态，对应的应变值为
0.3% ；B点基本处在钢材的屈服平台段和强化初始阶段之间，应变值近似取7% ；C点处在钢材屈服后的强化段，接近应力峰值点，应变值控制在13%以内。采用有限元软件对抗震棒I进行静力弹塑性推倒分析，得到如图4所示的力-位移曲线，A点、B点和C点分别对应的位移值为弹性位移限值D1、设计位移D2和设计极限位移D3。
[0046]步骤二，在正常使用阶段和多遇地震下进行强度设计，即不考虑盆式活动支座对水平刚度的贡献，按初步确定抗震棒I的数量并采用抗震棒I弹性刚度，以多振型分解反应谱法验算抗震棒I的强度；若抗震棒I变形超过弹性位移限值D1，则需增加抗震棒I数量、重新验算，直到满足要求。
[0047]多遇地震作用下，抗震棒I处于弹性工作状态，钢材应力-应变曲线控制在图3中A点以内，对应弹性位移限值为D1。
[0048]步骤三，设计地震下验算抗震棒I的位移。相对规则桥梁简化抗震设计可采用等效线性化方法，假定设计位移D2后确定抗震棒I的等效刚度，而将等效阻尼比忽略或作为安全贮备，以多振型分解反应谱法验算抗震棒I的位移值小于设计准则中的位移限值。非规则及较为复杂桥梁采用非线性时程分析法。
[0049]设计地震作用下，抗震棒I允许发生一定的塑性变形，应力最大点控制在图3中的B点以内，基本处在钢材的屈服平台段和强化初始阶段之间，计算得到抗震棒I设计位移为D2。
[0050]铁路桥梁抗震设计通常允许桥墩在设计地震下发生可修复的塑性损伤，为保证抗震棒I先于桥墩发生塑性屈服，要求桥墩的设计屈服强度大于抗震棒I的实际屈服强度。因高速铁路桥梁较多地采用钢筋混凝土实体墩，一般能够满足以上要求。
[0051]步骤四，拉索限位器2的设计。当抗震棒I达到及超过设计地震下的设计位移D2时拉索限位器2开始工作，拉索限位器2间隙即为抗震棒I的设计位移D2 ;拉索限位器2的刚度需要通过非线性时程分析法及试算的方法确定，初次试算刚度的确定:当抗震棒I的变形从限位器2发挥作用到抗震棒I达到极限位移时，限位器2与抗震棒I的恢复力增量之和不低于上部结构重量的0.025倍。
[0052]罕遇地震作用下，抗震棒I允许出现较大的塑性变形，应力最大点控制在图3中的C点以内，处在钢材屈服后的强化段，抗震棒I的设计极限位移为D3。
[0053]综上，抗震棒和拉索限位器组成的组合减震系统及其设计方法，该组合减震系统用于减小和控制高速铁路桥梁在强震中的损伤和破坏；
[0054]首先基于功能分离式支座设计理念提出了采用抗震棒和拉索限位器的组合减震及限位系统设计方案，通过抗震棒屈服耗能来减小桥梁地震反应，用拉索限位器来控制抗震棒的过大变形和防止落梁破坏。
[0055]其次在性能抗震设计框架下，分别给出了抗震棒和拉索限位器在多遇地震、设计地震和罕遇地震下的设计方法；进而本发明可以降低高速铁路桥梁的地震反应，提高了结构的抗震性能，尤其适用于经受近断层脉冲型地震动的桥梁结构。
【权利要求】
1.一种高速铁路桥梁组合减震系统，包括:桥梁结构体系和减震结构体系；其中桥梁结构体系包括:主梁(3)、桥墩(4)、设置于桥墩(4)顶部的垫石(5)和设置于垫石(5)顶部用于支撑主梁⑶的支座(6)； 其特征在于:减震结构体系包括，抗震棒(I)和拉索限位器(2); 所述抗震棒(I)采用低屈服钢制成，且由锚固段和变形段组成，锚固段锚固在桥墩中，变形段端部呈球状并伸入到主梁(3)中与主梁(3)铰接； 所述拉索限位器(2)是将钢绞线连接于主梁(3)和桥墩(4)之间，在桥墩左右各设置一个拉索限位器(2)。
2.一种高速铁路桥梁组合减震系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一，对抗震棒(I)进行推倒分析，通过控制抗震棒(I)的应变来确定其不同阶段的位移值，包括弹性位移限值D1、设计位移D2和设计极限位移D3 ； 步骤二，在正常使用阶段和多遇地震下进行强度设计，即不考虑盆式活动支座对水平刚度的贡献，按初步确定抗震棒(I)的数量并采用抗震棒(I)弹性刚度，以多振型分解反应谱法验算抗震棒(I)的强度；若抗震棒(I)变形超过弹性位移限值D1，则需增加抗震棒(I)数量、重新验算，直到满足要求； 步骤三，设计地震下验算抗震棒(I)的位移；相对规则桥梁简化抗震设计可采用等效线性化方法，假定设计位移D2后确定抗震棒(I)的等效刚度，而将等效阻尼比忽略或作为安全贮备，以多振型分解反应谱法验算抗震棒(I)的位移值小于设计准则中的位移限值；非规则及较为复杂桥梁采用非线性时程分析法； 步骤四，拉索限位器(2)的设计；当抗震棒(I)达到及超过设计地震下的设计位移D2时拉索限位器(2)开始工作，拉索限位器(2)间隙即为抗震棒(I)的设计位移D2 ;拉索限位器(2)的刚度需要通过非线性时程分析法及试算的方法确定，初次试算刚度的确定:当抗震棒(I)的变形从限位器(2)发挥作用到抗震棒(I)达到极限位移时，限位器与抗震棒(I)的恢复力增量之和不低于上部结构重量的0.025倍。
【文档编号】E01D19/00GK104153288SQ201410441128
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】石岩, 王东升, 孙治国, 华承俊 申请人:大连海事大学