一種鐵路橋梁球鉸式豎向限位器的研究與應用

陳列，艾忠良，鐘洪軍，金怡新，呂娜

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031）

一種鐵路橋梁球鉸式豎向限位器的研究與應用

陳列，艾忠良，鐘洪軍，金怡新，呂娜

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031）

針對研發的一種適用于高烈度地震區鐵路橋梁的豎向限位裝置——球鉸式豎向限位器，介紹了其工作原理及構造特點、設計方法、力學性能試驗，結果證明球鉸式豎向限位器的轉動性能和承載力滿足設計要求。同時，對球鉸式豎向限位器進行了全橋地震響應分析，分析結果表明:在高烈度地震作用下，球鉸式豎向限位器可有效限制梁體“起跳”位移，從而起到防止上部結構落梁的作用。

橋梁；防落梁；豎向限位；球鉸

隨著國內外對豎向地震動的廣泛關注和深入研究，橋梁領域也發現：在最大水平加速度峰值為0.1g和0.2g時，豎向地震動對橋墩的地震響應很小；而在最大水平加速度峰值為0.4g時，橋墩已進入非線性工作狀態，豎向地震動對橋墩地震響應的影響很大［1-2］。另有學者指出［3］，支座被剪斷后，在3項地震動作用下，整個橋梁結構的振動特性發生了改變，梁體會發生較大的豎向位移。

我國在防落梁裝置及抗震措施方面，《鐵路工程抗震設計規范》（GB 50111—2009）7.5.9條對9度地震區的橋梁規定：“除滿足8度要求外，尚應滿足下列要求：①橋梁上部應采用橫向連接可靠、整體性能良好的結構形式；②上部結構應采用豎向限位措施。”規范對8度地震區的橋梁要求除了設置橫向支擋外還要設置縱向支擋，故9度地震區橋梁應綜合考慮設置縱、橫、豎三向防落梁措施。

目前縱、橫向防落梁的應用較多［4］，但豎向防落梁［5］采用較多的是通過高強鏈條將梁體和橋墩相連的方式。這種方式的缺點是鏈條長度不好控制，并且在豎向地震作用下梁體起跳后的回落會與橋墩發生撞擊，造成梁體和橋墩的損傷。因此，迫切需要研究出能適用于高烈度地震區的豎向限位器。本文以長昆線9度地震區24 m簡支梁為背景，研發出一種豎向限位裝置——球鉸式豎向限位器。

1　球鉸式豎向限位器的構造特點及工作原理

球鉸式豎向限位器由預埋組件、底座、扣板、橡膠墊圈、活塞桿、套筒等組成，如圖1所示。活塞桿的兩端設計為球面結構，其與底座和扣板安裝后形成球鉸結構以適應橋梁轉動；限位板和活塞桿之間填塞橡膠墊圈以緩沖梁回落時與墩的撞擊；2個活塞桿設置螺紋通過套筒連接，這種結構使得球鉸式限位器的高度可人工調整，且整體安裝方便。

圖1　球鉸式豎向限位器構造示意

球鉸式豎向限位器可應用于簡支梁和中小跨徑的連續梁，每個墩通常安裝4個。安裝時兩端分別錨固在梁體和墩臺的側面（見圖2），可滿足橋梁平時的轉動和位移。當橋梁“起跳”位移達到設計位移時，球鉸式豎向限位器有足夠的力拉住梁體，防止其發生更大的位移；梁體回落時活塞桿在橡膠墊圈的緩沖作用下，回落速度減緩，回落力也有所降低，避免了墩梁相碰時對墩和梁的損壞。

圖2　球鉸式豎向限位器布置

2　球鉸式豎向限位器的設計

球鉸式豎向限位器的主要作用是限制梁體的豎向“起跳”，同時滿足梁體轉動，因此設計的主要工作是計算豎向地震力，并驗證其可行性。

地震力按梁體恒載及活載的7%簡化計算，以此作為球鉸式豎向限位器設計承載力的初步估算依據。其中恒載包括梁體結構自重和二期恒載（包括軌道結構、防水層以及防護墻等附屬設施自重），活載按全梁雙線滿布ZK荷載計算。

本文以長昆客運專線9度地震區無砟軌道24 m簡支箱梁為例，計算得全梁豎向地震力并乘1.6倍的安全系數后得到力為1 550 kN，每片梁上安裝4個球鉸式豎向限位器，則單個球鉸式豎向限位器的限位力取400 kN，該力需通過地震仿真分析進一步確認。

3　球鉸式豎向限位器的地震響應分析

3.1簡支梁橋模型的建立及限位措施的說明

利用SAP2000建立兩跨簡支箱梁橋模型，主梁計算長度24.7 m，橋墩高度25 m，梁體材料采用C50混凝土；橋墩為變截面，橋墩下半部高度22 m，橫截面尺寸為6.5 m×2.5 m，上半部高3 m，截面由6.5 m× 2.5 m漸變為8 m×3.2 m，墩底材料為C35混凝土，配筋率為1%，橋墩與地面固結。每跨主梁兩端分別由2個支座支撐，支座采用單壓摩擦擺支座，利用軟件中的T/C Frition Isolator模擬。

根據球鉸式豎向限位器的基本構造，在SAP2000中采用線性連接單元（Linear單元）模擬，上端與箱梁固結，下端與墩頂固結，豎向剛度設置為4×107N/m，水平方向不設置剛度值。每跨主梁的兩端分別設置2個限位器，并且分別設置于支座的外側。

3.2所選地震波及分析工況

為了計算在不同地震波下，豎向限位器的限位效果，分別選用了10條普通地震波和10條近斷層地震波進行輸入，表1僅列出普通地震波的信息。順橋向輸入“水平向1”地震波，橫橋向輸入“水平向2”地震波，豎向輸入“豎向”地震波。

根據地震波的輸入加速度峰值及水平向與豎向加速度比值不同，本文設立了2種工況，根據2種工況調整地震波峰值，對模型輸入調整后的三向地震波，進行非線性時程分析。其中，2種工況設定如下：

工況1：輸入普通地震波，并按《鐵路工程抗震設計規范》（GB 50111—2006）中的規定，在設防烈度為9度罕遇地震時，將普通地震波的水平向峰值調整為0.64g，豎向地震波峰值調整為水平向地震波峰值的65%。

工況2：輸入近斷層地震波，并將近斷層地震波的水平向峰值調整為0.64g，豎向峰值調整為0.64×（V/H）（其中V為原始地震波豎向峰值，H為原始地震波水平向峰值）。

表1　普通地震波g

3.3工況1梁體響應及限位效果

根據工況1及計算方法，對模型在加設豎向限位器與未加設豎向限位器2種情況下分別進行非線性時程分析，計算邊墩、中墩上部主梁與墩頂的豎向相對位移，然后對加設與未加設限位器2種情況下的豎向相對位移進行對比，并且根據計算結果分析限位器的限位效果。此外，提取其在相應地震作用下的極限力。

表2列出了不同地震波作用下，在加設與未加設豎向限位器時，上部結構與墩頂的最大相對位移及限位率，限位器最大拉力值。從表2可以看出，未加設限位器時會發生較大的與墩頂相脫離的位移，即上部結構會向上起跳。在加設豎向限位器后，上部結構與墩頂的相對位移值有較大幅度的降低。

表2　工況1豎向限位器限位情況及受力狀態

為評價與量化球鉸式豎向限位器的限位效果，本文采用限位率來表示，限位率=（D0-D1）/D0。從球鉸式豎向限位器的限位率可以看出：豎向限位器在地震作用下，較好地發揮了豎向限位的作用，較大幅度地降低了上部結構的跳起程度，從而降低了落梁的風險。由此可見，球鉸式豎向限位器能夠較好地在地震來臨時起到防止上部結構落梁的作用。

另外，表2列出了在各地震波作用下限位器的極限受力值，可見除個別地震波外，峰值均小于豎向限位器的設計承載力（400 kN），說明在地震作用過程中，豎向限位器在能發揮良好限位效果的同時，不會發生破壞。因此，此種工況下，現有限位器能夠滿足需要，也說明原設計中計算的限位器承載力是合適的。

3.4工況2梁體響應及限位效果

工況2采用近斷層地震波，計算方法與工況1相同。計算后得到限位率平均值為75%；邊墩、中墩限位器所受最大拉力多大于現有限位器的極限承載力400 kN，說明近斷層地震波作用過程中，限位器有被破壞的風險。

因此，考慮安全因素對限位器的極限承載力進行加強，最終確定該橋的球鉸式豎向限位器設計力為600 kN。

4　球鉸式豎向限位器的力學性能試驗

為了驗證球鉸式豎向限位器的轉動性能和抗拉性能，對上述設計的600 kN球鉸式豎向限位器進行試驗。

轉動試驗結果表明：在設計的轉動角度下，其轉動幾乎不受約束，并且轉動荷載很小。

圖3　抗拉性能試驗荷載-時間曲線

抗拉性能試驗對其施加1倍設計荷載的拉力，荷載均分4級加載，每級加載后穩壓3min，加載的荷載-時間曲線如圖3，如此連續加載3次。圖4為加載3次的荷載-位移曲線。從圖4可以看出：球鉸式豎向限位器第1次加載達到設計荷載時，位移17mm；第2次、第3次加載到設計荷載時位移變小，說明每次加載時橡膠墊圈吸收了一定的能量，卸載后仍有殘余應力。由此可知，球鉸式豎向限位器在設計荷載下的位移為17mm，與設計相符；另外橡膠墊圈有一定的吸能效果，同時在梁體回落時可起到一定的緩沖作用，可降低墩梁的受損。

圖4　抗拉性能試驗荷載-位移曲線

5　結論

1）球鉸式豎向限位器可較大幅度地降低上部結構的跳起程度，起到了很好的限位效果，從而降低落梁的風險。

2）球鉸式豎向限位器的設計承載力需采用有限元進行驗證，計算結果不滿足時，對設計值進行必要的調整。

3）球鉸式豎向限位器的轉動性能與抗拉承載力滿足設計要求。

［1］江輝.近斷層地震地面運動峰值衰減規律研究［J］.北京交通大學學報，2011（4）：83-87.

［2］張顯明，朱晞.近場豎向地震動對鐵路橋梁地震反應的影響［J］.華北科技學院學報，2005（4）：30-33.

［3］黃小國，李建中.連續梁橋防落梁裝置試驗和理論研究［D］.上海：同濟大學，2009.

［4］朱萬旭.地震區簡支梁橋防落梁裝置的設計［J］.特種結構，2011（3）：66-70.

［5］孫廣俊.考慮橋墩及支座影響的梁橋豎向地震反應分析［J］.工程力學，2012（10）：232-235.

（責任審編孟慶伶）

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

陳列（1962—），男，教授級高級工程師，碩士。