第期郑晓龙金怡新吕娜! 型钢阻尼支座的设计与减震性能分析在我国高速铁路的蓬勃建设过程中为节约土地少占农田避开居民区减少拆迁等线路规划大量采用了桥梁结构随之连接桥梁上部与下部结构起承上启下作用的支座用量亦越来越大对处在地震高发区的铁路桥梁工程需积极研发高效适用的减隔震支座

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驻策郑
5 years ago
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1 年月第期总铁道工程学报!"!!"#$!% &' #& 文章编号型钢阻尼支座的设计与减震性能分析郑晓龙金怡新吕娜中铁二院工程集团有限责任公司成都摘要研究目的本文介绍了! 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! 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! 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! 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其滞回曲线饱满说明! 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! 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! 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关键词桥梁减隔震技术! 型钢阻尼支座耗能减震中图分类号文献标识码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收稿日期作者简介郑晓龙年出生男高级工程师现任中铁二院工程集团有限责任公司科学研究院基础研究所所长

第期郑晓龙金怡新吕娜! 型钢阻尼支座的设计与减震性能分析在我国高速铁路的蓬勃建设过程中为节约土地少占农田避开居民区减少拆迁等线路规划大量采用了桥梁结构随之连接桥梁上部与下部结构起承上启下作用的支座用量亦越来越大对处在地震高发区的铁路桥梁工程需积极研发高效适用的减隔震支座以有效减小桥梁结构地震响应的影响!

2 第期郑晓龙金怡新吕娜! 型钢阻尼支座的设计与减震性能分析在我国高速铁路的蓬勃建设过程中为节约土地少占农田避开居民区减少拆迁等线路规划大量采用了桥梁结构随之连接桥梁上部与下部结构起承上启下作用的支座用量亦越来越大对处在地震高发区的铁路桥梁工程需积极研发高效适用的减隔震支座以有效减小桥梁结构地震响应的影响! 型钢阻尼器具有稳定的滞回曲线良好的低周疲劳特性不受环境稳定影响等优点因此在欧美日本新西兰台湾地区等得到较多应用型钢阻尼器应用于桥梁结构时既需要其有稳定的阻尼性能又需要有良好的结构形式便于和支座组合使用且安装方便易于更换依据国外成功经验及意大利,0+ 公司的设计理念设计的! 型钢阻尼器支座较好地满足了桥梁工程耗能减震对于型钢阻尼器的要求并于 9 年在南京江心洲夹江大桥中首次实现国内应用随后年常州高架新京杭大桥上使用了! 型钢阻尼器年内蒙古黄河特大桥上应用了! 型钢阻尼支座同年昆明枢纽和东南环线两条线路上使用了! 型钢阻尼支座型钢阻尼支座简介! 型钢阻尼支座如图所示是将! 型钢阻尼元件与支座整合到一起使之兼有竖向支承和水平滞回耗能的作用该支座通过! 形的独特设计和材料本身的塑性变形来耗散输入桥梁结构的地震能量地震时结构的整体刚度相对固定型支座而言强度未变而增大了结构自振周期通过! 型钢的变形而降低从而降低了桥梁的地震响应保护了桥梁结构该支座减震效果显著且具有稳定的滞回特性良好的低周疲劳特性不受环境温度的影响等优点同时结构形式简单便于产品模数化等尤其是可以大大简化相应连接构造装置的设计型钢支座的设计! 型钢支座的支座本体设计与普通支座一样在此仅介绍! 型钢阻尼元件的设计材料选择目前在实际工程中的钢阻尼器的材料一般选用软钢其原因主要是钢材的屈服点越低其塑性越好但是在满足实际工况主要是位移的情况下使用屈服点稍高且塑性较好的钢材设计! 型钢阻尼元件在达到同样阻尼力的情况下可以大大节约钢材成本同时可有效延长桥梁的固有周期起到很好的隔震效果本项目中阻尼器采用低合金高强度钢并通过分析和测试确定! 型钢阻尼元件是否满足桥梁应用需求设计计算公式! 型钢原型如图所示影响! 型钢的性能尺寸的各参数含义如下! 型钢的厚度! 型钢直臂段的宽度! 型钢的力臂长中间臂的平均宽度侧臂的平均宽度! 型钢直段长度. 钢板的屈服强度图型钢原型图型钢弯矩图图型钢阻尼支座根据文献! 型钢的原型可简化为两边铰支中间简支的梁模型中间支座上作用力为使用结构力学方法求解过程中忽略轴力的影响并且将钢材视为理想弹塑性材料即钢材在屈服后不发生强化

铁道工程学报年月其结构力学计算简化模型如图所示设计时一般要求轴力对! 型钢的影响小于 : 因此理论公式推导只考虑弯矩的作用横截面的屈服弯矩. 和塑性弯矩可分别由以下公式求得. ;. ;. 显然作用在中间臂的最大承载力可以由弯矩除力臂得到相应的屈服力和塑性力由以下公式求得. ;. ;. 可以得到! 型钢的屈服位移. 与材料屈服应变. 之间的关系为. ;. 式中 ; ( ) 与材料的特性有关 ( ).

3 铁道工程学报年月其结构力学计算简化模型如图所示设计时一般要求轴力对! 型钢的影响小于 : 因此理论公式推导只考虑弯矩的作用横截面的屈服弯矩. 和塑性弯矩可分别由以下公式求得. ;. ;. 显然作用在中间臂的最大承载力可以由弯矩除力臂得到相应的屈服力和塑性力由以下公式求得. ;. ;. 可以得到! 型钢的屈服位移. 与材料屈服应变. 之间的关系为. ;. 式中 ; ( ) 与材料的特性有关 ( ). 为材料的屈服应变! 型钢的最大位移 2+3 与材料的最大应变 2+3 之间的关系为 2+3 ; 式中 2+3 材料的最大应变与材料的特性有关设计实例根据弹塑性阻尼器恢复模型和金属滞回耗能准则可得到! 型钢阻尼元件的力位移曲线如图所示 #9 单元模型共 9 个节点铰点处为了施加载荷和提取反力采用 7$9 单元建立刚性域连接边界条件为固定侧臂两铰点在中间臂铰点处施加位移载荷或固定中间臂铰点在侧臂两臂铰点处施加位移载荷材料弹性模量 ; 7+ 泊松比 ; 屈服应力 ; 7+ 对该模型施加设计位移荷载 22 可得图所示的应力云图应力的最大位置在直臂与侧臂交界的内侧其值为 9 7+ 小于材料的极限强度 9 7+ / 7+ 满足强度要求同时可得到! 型钢在设计位移下的滞回曲线图及水平总反力为图 3 应力云图图 4 滞回曲线型钢阻尼元件和型钢阻尼支座测试图型钢阻尼器力 2 位移曲线. 屈服应力设计应力. 弹性位移设计位移假定一个支座上! 型钢屈服力. ; 设计位移 ; 22 那么单片! 型钢屈服力. ; 设计位移 ; 22 有限元分析有限元计算采用 # # 软件实体模型采用为了保证! 型钢阻尼支座的阻尼性能以及在地震工况下的可靠性能需要进行相关的性能测试该测试分两步进行先对! 型钢阻尼元件进行测试测试结果与设计相符后再进行! 型钢阻尼支座的测试型钢阻尼元件测试! 型钢阻尼元件测试时需按足尺比例制作并且成对组装图给出了一种专用试验工装! 型钢的侧臂与套筒下部结构相连中间臂与导杆上部结构相连测试时在中间臂施加位移荷载位移荷载按正弦波加载分别为 22 次 22 次 22 次平均速度为 22

第期郑晓龙金怡新吕娜! 型钢阻尼支座的设计与减震性能分析图 5 一种型钢阻尼原件试验工装图 6 型钢阻尼元件试验滞回曲线图 9 为在南车株洲电力机车研究所新材料检测中心测试得到的! 型钢滞回曲线从图中可看出! 型钢屈服力与设计值基本吻合滞回曲线饱满稳定阻尼比达到 9 这说明! 型钢具有非常好的阻尼性能位移达到设计值时!

4 第期郑晓龙金怡新吕娜! 型钢阻尼支座的设计与减震性能分析图 5 一种型钢阻尼原件试验工装图 6 型钢阻尼元件试验滞回曲线图 9 为在南车株洲电力机车研究所新材料检测中心测试得到的! 型钢滞回曲线从图中可看出! 型钢屈服力与设计值基本吻合滞回曲线饱满稳定阻尼比达到 9 这说明! 型钢具有非常好的阻尼性能位移达到设计值时! 型钢受力达到该值与有限元分析结果一致测试完成后! 型钢出现较大的变形但没有断裂仔细观察其在直臂与侧壁交界的内侧位置出现裂纹这与有限元分析应力集中位置吻合型钢阻尼支座阻尼性能测试! 型钢阻尼元件测试结果与! 型钢初始设计完全吻合随后可进行! 型钢阻尼支座整体测试其阻尼性能测试要求与元件测试一致图为! 型钢阻尼支座的滞回曲线结果与! 型钢阻尼元件的测试非常接近测试后的! 型钢破坏位置与! 型钢阻尼器也一致试验和有限元的结果均说明设计采用的计算方法各参数的取值方式是可以应用于实际工程中的实桥减隔震性能分析计算模型及说明某客货共线铁路钢筋混凝土简支梁桥孔跨样式为 2 由于最后四孔桥墩高度变化幅度最大选取最后四跨进图 7 型钢阻尼支座测试滞回曲线行分析模型如图所示桥墩编号从左至右依次为 < < < < 桥台为 < 桥墩的高度依次为和 2 本文参考文献的算法思路采用 # 软件进行分析计算模型全部采用梁单元建立全桥共个单元其中墩台个单元其余单元为主梁和支座垫石等! 型钢阻尼支座用非线性单元来模拟墩底为固结地震荷载仅施加在桥的纵向! 型钢支座仅在纵向发挥作用在分析中选用修正的!$&*1 地震波图进行分析修正后的地震基本加速度稍大于图设防烈度为 9 度场地类型为类图 8 研究孔跨的有限元模型图修正的 9" 波生成的反应谱

5 铁道工程学报年月图该地区的抗震设计谱设计地震下桥梁地震响应时程分析墩底内力比较将墩底受力列于表分析结果表明! 型钢阻尼支座能有效地减小桥墩纵向的最大弯矩最大剪力以及桥墩与地面的相对位移随着桥墩高度的变化降低能力有所不同墩号墩高 < 2 < 9 2 < 2 < 2 表设计地震下墩底最大内力纵向墩底受力 2 设计地震无阻尼支座阻尼支座减少 : 墩底最大剪力 2 9 墩底最大剪力墩底最大剪力 2 9 墩底最大剪力 9 9 位移比较梁相对于桥墩顶部的位移时程即为! 型钢阻尼支座位移墩顶距地面的位移即为墩顶相对位移限于篇幅图给出了最高墩 < 桥墩上! 型钢阻尼支座的相对位移时程图给出了 < 桥墩上! 型钢阻尼支座的滞回曲线为了清楚反映! 型钢阻尼支座对墩顶距地面位移的贡献现将各墩顶相对位移和! 型钢阻尼支座位移列于表图 : 桥墩上型钢阻尼支座相对位移图 : 桥墩上型钢阻尼支座的滞回曲线表设计地震下墩顶相对位移和型钢阻尼支座位移设计地震墩底受力无阻尼支加阻尼支! 型钢阻座墩顶相座墩顶相减少 : 尼支座位对位移 2 对位移 2 移 2 < 桥墩位移最大值 < 桥墩位移最大值 < 桥墩位移最大值 < 桥墩位移最大值! 型钢阻尼支座有效耗散桥梁地震能量减小桥墩相对位移且高墩的减震效果更明显罕遇地震下桥梁地震响应时程分析结果罕遇地震分析方法同多遇地震类似其地震加速度为 9 桥墩的内力及位移变化分别如表表所示墩号墩高 < 2 < 9 2 表罕遇地震下墩底最大内力纵向墩底受力 2 罕遇地震 9 无阻尼支座阻尼支座减少 : 9 9 墩底最大剪力墩底最大剪力 9 9 9

6 第期郑晓龙金怡新吕娜! 型钢阻尼支座的设计与减震性能分析墩号墩高 < 2 < 2 续表罕遇地震下墩底最大内力纵向墩底受力 2 罕遇地震 9 无阻尼支座阻尼支座减少 : 9 9 墩底最大剪力 9 2 墩底最大剪力 9 表罕遇地震下墩顶相对位移和型钢阻尼支座位移罕遇地震 9 墩底受力无阻尼支阻尼支座! 型钢阻座墩顶相墩顶相对减少 : 尼支座位对位移 2 位移 2 移 2 < 桥墩的位移最大值 < 桥墩的位移最大值 < 桥墩的位移最大值 < 桥墩的位移最大值从表和表可知地震力的改变对! 型钢阻尼支座减小墩顶位移的能力影响不大但是随着地震力增加! 型钢阻尼支座的位移明显增加在罕遇地震下! 型钢阻尼支座的最大位移略大于了 22 的设计最大位移量因为在计算中主要研究! 型钢阻尼支座的特性采用的是弹性分析而不是弹塑性分析而考虑到在实际情况下由于支座摩擦力! 型钢进入塑性后的塑性硬化以及桥梁自身的塑性耗能等因素 22 的设计位移是可以满足罕遇地震需求的 3 结论! 型钢阻尼支座的滞回曲线显示了其具有良好的耗能作用! 型钢阻尼结构接近完美的弹塑性体通过! 型钢阻尼元件及! 型钢阻尼支座的测试验证了本文设计计算方法的准确性和可行性结合实桥分析计算后可以看出采用! 型钢阻尼支座能够可靠地延长结构自振周期并适当耗散地震能量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作为新型减隔震产品! 型钢阻尼支座减震效果显著具有稳定的滞回特性良好的低周疲劳性能不受环境温度的影响等优点在国内外的公路和铁路桥梁工程中均已有成功应用随着我国位于高烈度地震区公路和铁路桥梁工程的不断增多! 型钢阻尼支座必将拥有更为广阔的市场前景参考文献周云金属耗能减震结构设计武汉武汉理工大学出版社 0*0"% "00" ;0;0"% #%!" 884 $".#$ ' "% "0 ' &" ; "/ 1% ) $ %"" #""02") " "0 % " / 1% ) $ /. ; %""#"!" #"00" #" "0 )' " " 李世珩陈彦北胡宇新等! 型钢阻尼器及其在桥梁工程中的应用铁道建筑, 9 *. 0 *0+ $ # 2 " &" ")/'% "8 2 刘俊高烈度区多跨刚构连续梁桥减隔震设计研究铁道工程学报,0)0/" #02 /"200""&" % $" ) )0" # /'% " % 编辑赵立兰

118 地震工程与工程振动第 38 卷 were34% and44%. Keywords:highwaybridges;double columnpier;brb;aseismicperformance;arangementform 引言双柱式桥墩是公路桥梁最广泛采用的下部结构形式, 尽管双柱式桥

118 地震工程与工程振动第 38 卷 were34% and44%. Keywords:highwaybridges;double columnpier;brb;aseismicperformance;arangementform 引言双柱式桥墩是公路桥梁最广泛采用的下部结构形式, 尽管双柱式桥第 38 卷第 1 期 2018 年 2 月地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.38No.1 Feb.2018 文章编号 :1000-1301(2018)01-0117-07 DOI:10.13197/j.eeev.2018.01.117.dongy.013 设置 BRB 构件的双柱式桥墩的横桥向减震分析董阳 1,2,