CN109778686B - 一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座，包括上支座板、下支座板以及位于二者之间的球冠衬板，还包括位于上支座板外侧的若干套多重限位组件，每套多重限位组件包括第一限位挡块、楔形挡块、第二限位挡块、销钉和挡块拉索；第一限位挡块的一端与上支座板的外侧面相接触，且第一限位挡块的另一端设有斜坡面，销钉穿过第二限位挡块安装于下支座板上，第一限位挡块和第二限位挡块之间设有楔形挡块，楔形挡块与第一限位挡块的斜坡面相适配，且楔形挡块与下支座板之间还连接有挡块拉索；挡块拉索用于限制楔形挡块的位移；当挡块拉索被剪断时，楔形挡块脱落。本发明还公开一种桥梁，包括梁体、桥墩以及上述减隔震支座。
Description
技术领域
本发明涉及铁路桥梁工程技术领域，特别涉及一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座。
背景技术
高速铁路列车的设计时速一般为250km/h～350km/h，行车速度快，因而对轨道线性具有较高的要求。现行高速铁路设计规范对满足高速行车条件时桥面处梁端水平折角做出了严格的要求(不大于1‰弧度)。在地震条件下，一方面由于预警时间较短，列车难以短时间做出应急反应，为保证列车行车安全，应避免因支座损伤后(销钉剪断)较大的相对位移引起超限的梁端折角。另一方面，减隔震支座的基本原理是通过放开墩梁位移，延长结构自振周期和耗散地震能量来实现的，支座销钉不间断难以取得减隔震效果。
当前减隔震支座通常只设计一排限位销钉，在正常使用和多遇地震下保证销钉不间断，保证列车行车安全。在设计地震和罕遇地震条件下，销钉剪断并起到减震耗能的作用。而这种单一限位功能的销钉难于满足多水准、多目标的抗震设防需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座，满足多水准、多目标的抗震设防需求。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座，包括上支座板、下支座板以及位于二者之间的球冠衬板，其特征在于，还包括位于所述上支座板外侧的若干套多重限位组件，每套所述多重限位组件包括第一限位挡块、楔形挡块、第二限位挡块、销钉和挡块拉索；
所述第一限位挡块的一端与所述上支座板的外侧面相接触，且所述第一限位挡块的另一端设有斜坡面，所述第二限位挡块和下支座板上均设有销钉孔，所述销钉穿过所述第二限位挡块安装于所述下支座板上，所述第一限位挡块和所述第二限位挡块之间设有所述楔形挡块，所述楔形挡块与所述第一限位挡块的斜坡面相适配，且所述楔形挡块与所述下支座板之间还连接有挡块拉索；
所述挡块拉索用于限制所述楔形挡块的位移，当所述挡块拉索被剪断时，所述楔形挡块脱落。
所述挡块拉索能够在正常使用工况下限制所述楔形挡块的位移；当多遇地震工况时，所述第一限位挡块强烈撞击所述楔形挡块，所述挡块拉索能够在多遇地震工况下被剪断，使得所述楔形挡块脱落；所述销钉则能够在设计地震工况下被剪断。
本发明的多重限位组件具有多重限位耗能功能，实现了减隔震支座多水准、多目标的抗震设防需求。在正常使用工况下，第一限位挡块撞击楔形挡块，楔形挡块发生小位移，但由于挡块拉索的限制，所述楔形挡块不脱落，正常使用时减隔震支座不损坏，满足列车运营舒适性要求；在多遇地震工况下，第一限位挡块强烈撞击楔形挡块，挡块拉索被剪断，楔形挡块脱落，从而能放开一定的支座位移，提高支座的减隔震作用，但同时满足列车运营安全性要求；在设计地震工况下，第一限位挡块直接强烈撞击第二限位挡块，使得销钉被剪断，支座位移被进一步放开，支座的减隔震作用得到完全发挥。
本发明设计的多重限位组件能根据不同的工况发挥不同的减隔震限位效果，特别是区分了多遇地震工况和设计地震工况的不同减隔震限位设计需求。采用本发明所述多重限位组件，满足了多遇地震工况和设计地震工况的使用要求，使得减隔震支座能充分发挥作用，从而可以减小桥墩尺寸，降低工程造价。
优选的，所述挡块拉索的破断拉力为：
k·Fd·cotα·sinβ≤FL≤Feq·cotα·sinβ
式中：FL为挡块拉索的破断拉力，Fd为正常使用工况下第一限位挡块承受上支座板传递的最大水平推力，Feq为多遇地震工况下第一限位挡块承受上支座板传递的最大水平推力，α为第一限位挡块的斜坡面的倾斜角度，β为挡块拉索和楔形挡块之间的夹角，k为安全系数，k＞1。
优选的，所述楔形挡块的尺寸满足列车安全运营梁端水平折角限制，楔形挡块的尺寸大小决定了多遇地震工况下放开的支座位移，为了保证行车安全，楔形挡块的尺寸不宜过大，一般来说应通过计算满足梁端水平折角小于或等于1‰弧度。
优选的，所述多重限位组件的数量为2套，设置在桥梁的横桥向，且共线设置。
优选的，所述上支座板和下支座板之间还连接有若干条限位拉索，限位拉索起到了防落梁和竖向限位的作用。
优选的，所述限位拉索能够在罕遇地震工况下正常使用，限位拉索的长度和强度应依据罕遇地震抗震性能目标设计。
优选的，若干条所述限位拉索分别设置在桥梁的横桥向和顺桥向。
本发明还公开了一种桥梁，包括桥墩和梁体，在所述桥墩和梁体之间安装有任一上述的一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座。该桥梁可以满足多种工况下不同的使用要求，减隔震效果良好，可以实现多水准、多目标的抗震设防需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明的多重限位组件具有多重限位耗能功能，实现了减隔震支座多水准、多目标的抗震设防需求。
(2)本发明设计的多重限位组件能根据不同的工况发挥不同的减隔震效果，特别是区分了多遇地震工况和设计地震工况的不同减隔震设计需求。采用本发明所述多重限位组件，满足了多遇地震工况和设计地震工况的使用要求，使得减隔震支座能充分发挥作用，从而可以减小桥墩尺寸，降低工程造价。
(3)本发明的多重限位组件满足多遇地震工况梁端水平折角限制，保证了行车安全。
(4)本发明在所述上支座板和下支座板之间还连接有若干条限位拉索，在罕遇地震工况起到了防落梁和竖向限位的作用。
附图说明：
图1是本发明所述的一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座在顺桥向的结构示意图。
图2是本发明所述的一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座在横桥向的结构示意图。
图3是本发明所述的多重限位组件的局部放大示意图。
图4是本发明所述的楔形挡块的受力示意图。
图5是本发明所述的多重限位组件的平面图。
图6是本发明所述的多重限位组件在正常使用工况下的示意图。
图7是本发明所述的多重限位组件在多遇地震工况下的示意图。
图中标记：1-上支座板，2-下支座板，3-球冠衬板，4-第一限位挡块，5-楔形挡块，6-第二限位挡块，7-销钉，8-限位拉索，9-挡块拉索。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
如图1-图2所示，一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座，包括上支座板1、下支座板2以及位于二者之间的球冠衬板3，还包括位于所述上支座板1外侧的2套多重限位组件，两套多重限位组件设置在桥梁的横桥向，横桥向的两套多重限位组件共线设置。在所述上支座板1和下支座板2之间还安装有限位拉索8，所述限位拉索8分别设置在桥梁的横桥向和顺桥向，限位拉索的长度和强度依据罕遇地震抗震性能目标设计，使得限位拉索8能够在罕遇地震工况下满足防止落梁和竖向限位功能。
如图3-图5所示，每套所述多重限位组件包括第一限位挡块4、楔形挡块5、第二限位挡块6、销钉7和挡块拉索9。所述第一限位挡块4的一端与抵住所述上支座板1的外侧面，且所述第一限位挡块4的另一端设有斜坡面，所述斜坡面的倾斜角度为α。所述第二限位挡块6和下支座板2上均设有一排销钉孔，一排所述销钉7穿过所述第二限位挡块6安装于所述下支座板2上。进一步的，所述第一限位挡块4和所述第二限位挡块6之间设有所述楔形挡块5，所述楔形挡块5的一端与所述第一限位挡块4的斜坡面相适配，即所述楔形挡块5的倾角为α，所述楔形挡块5的另一端抵住所述第二限位挡块6，且所述楔形挡块5还通过挡块拉索9连接在所述下支座板2上，所述楔形挡块5和挡块拉索9之间的夹角为β。
所述挡块拉索9需满足以下条件：所述挡块拉索9能够在正常使用工况下限制所述楔形挡块5的位移，所述挡块拉索9能够在多遇地震工况下被剪断，使得所述楔形挡块5脱落。因此，如图4所示：
取第一限位挡块4为隔离体，假定正常使用工况时承受上支座板1传递的最大水平推力为Fd，承受的支撑力为Fz，忽略挡块间摩擦力，由水平向平衡方程可求得作用在楔形挡块5上的顶推力Fn为
取楔形挡块5为隔离体，楔形挡块5受到了来自第一限位挡块4的顶推力Fn，来自第二限位挡块6的水平推力Fx，以及来自挡块拉索9的拉力F，由竖向平衡方程可求得正常使用工况时挡块拉索9承受的最大拉力F为
F＝Fd·cotα·sinβ
考虑一定的安全系数k(k＞1)，即挡块拉索9的破断拉力FL应设计为
FL≥k·Fd·cotα·sinβ
进一步的，假定多遇地震工况下第一限位挡块4承受上支座板1传递的最大水平推力为Feq，则
FL≤Feq·cotα·sinβ
因此，
k·Fd·cotα·sinβ≤FL≤Feq·cotα·sinβ。
如图6所示，在正常工况下，第一限位挡块4撞击楔形挡块5，楔形挡块5发生小位移，但由于挡块拉索9的限制，所述楔形挡块5不脱落，正常使用时减隔震支座不损坏，满足列车运营舒适性要求；如图7所示，在多遇地震工况下，第一限位挡块4强烈撞击楔形挡块5，挡块拉索9受到的拉力大于破断拉力FL，挡块拉索9被剪断，楔形挡块5脱落，从而能放开一定的支座位移，提高支座的减隔震作用，但同时楔形挡块5的尺寸不宜过大，需满足梁端水平折角限制，也即满足震时列车运营安全性要求；在设计地震工况下，第一限位挡块4直接强烈撞击第二限位挡块6，使得销钉7被剪断，支座位移被进一步放开，支座的减隔震作用得到完全发挥；在罕遇地震工况下，通过设置在上支座板1和下支座板2之间的限位拉索8防止支座发生过大位移，造成落梁的震害，同时限制竖向位移。
楔形挡块5的尺寸大小决定了多遇地震工况下放开的支座位移，为了保证行车安全，楔形挡块5的尺寸不宜过大，一般来说为满足高速铁路列车安全运营，梁端水平折角应小于或等于1‰弧度，应通过抗震计算确定所述楔形挡块5的尺寸以满足梁端水平折角限制。
为了验证本发明的使用效果，进行了有限元模拟计算。以高速铁路32m标准跨度简支梁桥为例，地震烈度为9度，设计地震峰值加速度为0.4g，桥墩采用圆端形空心桥墩，墩身采用C40混凝土，各桥墩墩高均为30m，单跨主梁共布置4个支座，一端为固定支座，一端为活动支座，三跨共12个支座，采用的摩擦摆支座竖向设计承载力为5500kN。正常使用工况产生的最大横桥向地震力为527kN，每个支座作用的最大水平力132kN(分摊到4个支座上)。楔形挡块5及挡块拉索9倾角均设计为α＝β＝45°，楔形挡块5的尺寸L＝40mm，挡块拉索的破断拉力FL＝212kN，单个销钉7的抗剪承载力为50kN。固定于上、下支座板的限位拉索8单侧设置3根，设计长度为46cm(容许发生水平位移21cm)，设计强度为2500kN。采用3条地震安评报告提供的横桥向+竖向地震波进行有限元时程分析。
从计算结果可知，在正常使用时，考虑1.2倍安全系数，挡块拉索最大拉力为FL＝1.2×132×1×0.707＝112kN＜212kN，满足正常使用状态楔形挡块5不发生脱落的要求。
在多遇地震发生时，本发明所述的具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座与普通的减隔震支座的对比结果如下表1所示：
表1本发明所述的减隔震支座与普通减隔震支座的计算结果对比
在多遇地震发生时，本发明的支座由于楔形挡块5脱落，支座在横桥向的最大相对位移由1mm增加至41mm，使得支座能充分发挥减隔震效果，梁端水平折角为0.08％rad，满足高速铁路设计规范0.1％rad的设计要求，最大水平转角大大减小，更加有利于行车安全，而桥墩墩底弯矩减少了约48.9％，大大降低了桥墩抗震设计难度，显著提高经济性，单个支座销钉承受的最大水平剪力为140kN，单个销钉7承受的最大剪力为140/9＝15.6kN＜50kN，满足多遇地震工况下销钉7不剪断的要求。
设计地震动作用下，单个支座销钉承受的最大水平剪力为585kN，单个销钉7承受的最大剪力为585/9＝65kN＞50kN，设计地震作用下销钉剪断，减震耗能效果得以充分发挥。
罕遇地震动作用下，单根限位拉索8承受的最大拉力为2486kN＜2500kN，满足防落梁限制位移要求。
本发明还公开了一种桥梁，包括桥墩和梁体，在所述桥墩和梁体之间安装有任一上述的一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座。该桥梁可以满足多种工况下不同的使用要求，减隔震效果良好，可以实现多水准、多目标的抗震设防需求。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座，包括上支座板(1)、下支座板(2)以及位于二者之间的球冠衬板(3)，其特征在于，
还包括位于所述上支座板(1)外侧的若干套多重限位组件，每套所述多重限位组件包括第一限位挡块(4)、楔形挡块(5)、第二限位挡块(6)、销钉(7)和挡块拉索(9)；
所述第一限位挡块(4)的一端与所述上支座板(1)的外侧面相接触，且所述第一限位挡块(4)的另一端设有斜坡面，所述第二限位挡块(6)和下支座板(2)上均设有销钉孔，所述销钉(7)穿过所述第二限位挡块(6)安装于所述下支座板(2)上，所述第一限位挡块(4)和所述第二限位挡块(6)之间设有所述楔形挡块(5)，所述楔形挡块(5)与所述第一限位挡块(4)的斜坡面相适配，且所述楔形挡块(5)与所述下支座板(2)之间还连接有挡块拉索(9)；
所述挡块拉索(9)用于限制所述楔形挡块(5)的位移，当所述挡块拉索(9)被剪断时，所述楔形挡块(5)脱落；
所述挡块拉索(9)的破断拉力为：
k·Fd·cotα·sinβ≤FL≤Feq·cotα·sinβ
式中：FL为挡块拉索(9)的破断拉力，Fd为正常使用工况下第一限位挡块(4)承受上支座板(1)传递的最大水平推力，Feq为多遇地震工况下第一限位挡块(4)承受上支座板(1)传递的最大水平推力，α为第一限位挡块(4)的斜坡面的倾斜角度，β为挡块拉索(9)和楔形挡块(5)之间的夹角，k为安全系数，k＞1；
所述多重限位组件的数量为2套，设置在桥梁的横桥向。
2.根据权利要求1所述的一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座，其特征在于，
所述上支座板(1)和下支座板(2)之间还连接有若干条限位拉索(8)。
3.根据权利要求2所述的一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座，其特征在于，
若干条所述限位拉索(8)分别设置在桥梁的横桥向和顺桥向。
4.一种桥梁，包括桥墩和梁体，其特征在于，
在所述桥墩和梁体之间安装有如权利要求1-3任一所述的一种具有多重限位功能的铁路桥梁减隔震支座。
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