JP7250168B2 - Design Method for Displacement Limiting, Shock Absorbing and Energy Consuming Devices Made of Elastic-Plastic Metal for Railway Bridges - Google Patents

Design Method for Displacement Limiting, Shock Absorbing and Energy Consuming Devices Made of Elastic-Plastic Metal for Railway Bridges Download PDF

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Description

本発明は、橋梁の衝撃吸収の分野、特に鉄道橋梁用弾塑性金属製の変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の設計方法に関する。 The present invention relates to the field of bridge shock absorption, in particular to a method of designing elastoplastic metal displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices for railway bridges.

従来の大スパン橋梁（スパン１００ｍ以上）は通常、粘性ダンパーを使用して橋梁の衝撃吸収とエネルギー消費を行うが、粘性ダンパーのコストは非常に高く、また、粘性ダンパーの耐用年数が長くなると、その内部シリンダーが漏れることが多く、定期的なメンテナンスと交換が必要になり、粘性ダンパーシリンダー内のオイルの量が減少するか存在しないと、粘性ダンパーは防振とエネルギー消費に耐えることができなくなり、ダンパーを交換するための間接的なコストも非常に高い。金属ダンパーは粘性ダンパーよりもはるかに安価であるが、通常、金属ダンパーは小スパンの橋梁や建物で使用されており、既存の金属ダンパーは、大スパンの橋梁の通常運転では橋梁の変形や変位の制限に対応できないため、通常の運転条件下での橋梁の変形と変位の制限を満たすだけでなく、地震時で十分な衝撃吸収とエネルギー消費できる、大スパンの橋梁用の新型の衝撃吸収およびエネルギー消費装置を設計する必要がある。 Conventional large-span bridges (over 100m span) usually use viscous dampers to absorb the impact and energy consumption of the bridge, but the cost of viscous dampers is very high. Its inner cylinder often leaks, requiring regular maintenance and replacement, and when the amount of oil in the viscous damper cylinder is reduced or absent, the viscous damper can no longer withstand vibration isolation and energy consumption. , the indirect cost of replacing the damper is also very high. Metal dampers are much cheaper than viscous dampers, but metal dampers are typically used in small span bridges and buildings, and existing metal dampers are less susceptible to bridge deformation and displacement in normal operation of large span bridges. Therefore, a new type of shock absorbing and It is necessary to design energy consuming devices.

本発明は、従来技術における、既存の大スパンの鉄道橋梁の、通常の動作条件下での橋梁の変形および変位への制限を満たし、地震時の十分な衝撃吸収とエネルギー消費を十分にでき、経済的かつ実用的であることを欠如する不足を克服して、鉄道橋梁用弾塑性金属製の変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の設計方法を提供することを目的とする。 The present invention satisfies the limitations of the existing large-span railway bridges in the prior art on deformation and displacement of the bridge under normal operating conditions, and is sufficiently capable of sufficient shock absorption and energy consumption during earthquakes, It is an object of the present invention to provide a method of designing elastoplastic metal displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices for railway bridges, overcoming the deficiencies that lack economic and practicality.

上記発明の目的を達成するために、本発明は以下の技術的解決手段を提供する。 In order to achieve the above objects of the invention, the present invention provides the following technical solutions.

本発明は、鉄道橋梁用弾塑性金属製の変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置として、金属高延性鋼ダンパーを採用し、好ましくは軟鋼材料を採用し、その構造は典型的な片持ち梁構造を採用する。前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の変位制限と衝撃吸収性能を全方向で同じにするために、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の断面形状として円形を選択した。 The present invention adopts a metal high ductility steel damper, preferably a mild steel material, as a elastoplastic metal displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device for railway bridges, and its structure is a typical cantilever structure. to adopt. In order to make the displacement limiting and shock absorbing performance of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device the same in all directions, a circular cross-sectional shape of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device was selected.

前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置を地震の作用下で良好な延性および変形能力を有し、ヒステリシスエネルギー消費曲線がプランパーで、エネルギー消費容量がより強くするようにするために、本発明は、等強度橋梁設計原則を採用して前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の断面サイズパラメータを設計する。この原則を使用して設計された前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置は、ほとんどの断面を同時に降伏状態にし、延性変形能力を最大化することができるが、等強度橋梁設計を採用する場合、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の上端の断面直径がゼロであるという問題があるので、この問題を解決するために、図１に示すように、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の上端領域の断面直径は線形変換に従って設計されており、この領域は移行部と呼ばれ、残りは等強度部であり、この図で、Ｈは前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の高さを表し、Ｈ１は前記移行部の長さを表し、ｄｏは前記移行部と前記等強度部の接合断面の直径を表し、ｄ（ｘ）は、上端から長さがｘである断面の直径を表す。 In order to make the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device have good ductility and deformability under the action of earthquake, have plumper hysteresis energy consumption curve and stronger energy consumption capacity, the present invention adopts the equal strength bridge design principle to design the cross-sectional size parameters of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices. Said displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming devices designed using this principle can simultaneously yield most cross-sections, maximizing ductile deformation capacity, but when employing iso-strength bridge design. , there is a problem that the cross-sectional diameter of the upper end of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device is zero, so to solve this problem, as shown in FIG. The cross-sectional diameter of the upper end region of the device is designed according to a linear transformation, this region is called the transition zone, the rest is the iso-strength zone, in this figure H is the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device. represents the height, H1 represents the length of the transition section, do represents the diameter of the junction cross-section of the transition section and the iso-strength section, and d(x) is the length x from the top. Represents the diameter of the cross section.

鉄道橋梁用弾塑性金属製の変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の設計方法であって、
橋梁の実際のニーズに応じて、橋梁の構造の変形と応力の制御目標を決定するステップであって、
前記制御目標は、外部荷重（列車の牽引力、制動荷重、風荷重など）の作用下での橋梁の主梁の梁端変位、変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の拘束によって引き起こされる温度二次内力および温度変形は、橋梁構造の安全性および運転の安全性に影響を与えないこと、通常の動作荷重の下では、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置は可塑性のない弾性状態を維持すること、地震荷重の作用下では、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置はヒステリシスエネルギー曲線がプランパーであり、橋梁構造の応力状態は、仕様の要件を満たすこと、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置は優れた衝撃吸収・エネルギー消費能力を備えていることなどの一種または複数種を含むことと、
衝撃吸収変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の構造形状パラメータと弾性機械的性質パラメータを計算するステップであって、
前記構造形状パラメータは、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の全高、移行部の長さ、および各断面の直径を含み、前記弾性機械的性質パラメータは、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の降伏前の剛性、極限弾性力、極限弾性変位、降伏力、降伏変位、極限力、極限変位、および降伏後の剛性を含むことと、
前記構造形状パラメータと前記弾性機械的性質パラメータに従って、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の力と変位の関係を計算するステップと、
前記力と変位の関係を橋全体のモデルにシミュレートして、前記橋梁の構造の変形が前記制御目標を満たしているかどうか、および橋梁の構造の応力が橋梁の設計仕様の要件を満たしているかどうかをテスト計算するステップと、
前記テスト結果に応じて、前記橋梁構造の変形が前記制御目標を満たし、橋梁構造物の応力が橋梁設計仕様の要件を満たすまで、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の構造形状パラメータと弾性機械的性質パラメータを調整するステップと、を含む。 A method of designing an elastoplastic metal displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device for railway bridges, comprising:
Determining the deformation and stress control target of the bridge structure according to the actual needs of the bridge, comprising:
Said control objective is the beam end displacement of the main beam of the bridge under the action of external loads (train tractive force, braking load, wind load, etc.), the temperature secondary caused by the displacement limitation/shock absorption and restraint of energy consuming devices. The internal force and temperature deformation do not affect the safety of the bridge structure and the safety of operation, and under normal operating load, the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device maintains an elastic state without plasticity. that, under the action of seismic loads, the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device has a plumper hysteresis energy curve, and the stress state of the bridge structure satisfies the requirements of the specifications; The energy consumption device includes one or more types such as having excellent shock absorption and energy consumption capabilities;
calculating structural shape parameters and elastic-mechanical property parameters of the shock absorbing displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device, comprising:
The structural shape parameters include the total height, transition length, and diameter of each cross-section of the displacement limiting, impact absorbing and energy consuming device, and the elastic mechanical property parameters include the displacement limiting, impact absorbing and energy consuming device. including pre-yield stiffness, ultimate elastic force, ultimate elastic displacement, yield force, yield displacement, ultimate force, ultimate displacement, and post-yield stiffness of the device;
calculating a force-displacement relationship of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device according to said structural geometry parameter and said elastic mechanical property parameter;
Simulating the force-displacement relationship into a model of the entire bridge to determine whether the structural deformation of the bridge satisfies the control objectives and whether the structural stress of the bridge satisfies the requirements of the bridge design specifications. a step of testing whether
Depending on the test results, the structural shape parameters and elasticity of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices are controlled until the deformation of the bridge structure meets the control objectives and the stress of the bridge structure meets the requirements of bridge design specifications. and adjusting mechanical property parameters.

好ましくは、有限要素ソフトウェアを使用して前記橋全体モデルを確立する。 Preferably, finite element software is used to establish the global bridge model.

好ましくは、前記有限要素ソフトウェアには、Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ、ＣＳＩＢｒｉｄｇｅ、ＯｐｅｎＳｅｅｓが含まれる。 Preferably, the finite element software includes Midas/Civil, CSIBridge, OpenSees.

好ましくは、該設計方法は、
橋梁の実際ニーズに応じて，橋梁の構造の変形又は応力の制御目標を決定するステップ１と、
橋梁の実際の空間分布に応じて、予備計算により、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の数と各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の全高Ｈおよび移行部の長さＨ１を決定し、同時に、各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の弾性剛性ｋｅを計算するステップ２であって、
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の数は、最初に橋梁の実際の空間分布と設計経験に基づいて決定され、
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の全高Ｈは、主梁及び主梁の下部構造（橋脚、アーチリブ横梁などの構造）の実際のスペース、及び前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置と主梁および主梁の下部構造との接続構造のサイズとスペースに基づき、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の全高Ｈの値を決定し、Ｈ１はＨの１０％～２０％とし、
各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の弾性剛性ｋｅは、高速列車が橋を渡るときに橋に生じる最大牽引力と制動力、および前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の数に基づいて決定されることと、
前記移行部と等強度部の接合断面直径ｄｏを計算するステップ３であって、
等強度梁の設計原則によれば、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の各断面が同時に降伏する場合、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の上端が水平荷重Ｆの下での各断面の外側が同時に最大応力に達する。各断面の最大曲げ応力は

Figure 0007250168000001
式中、σmax（x）は最大曲げ応力を表し、Ｆは上端の水平力を表し、ｘは上端からの長さを表し、ｄ（ｘ）は断面の直径を表す。
等強度橋梁設計の原則によれば、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の各断面直径変化関数は、式（１）によって解くことができる。
Figure 0007250168000002
 本発明の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置は片持ち梁応力モード
であり、上部水平力Ｆの作用下での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の変形および内力分布を図２ａおよび図２ｂに示す。この図で、ｗは前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の上部の水平変位を表し、Ｍは前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の断面曲げモーメントを表す。
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置が弾性状態にあるとき、構造力学の計算理論から、Ｆの作用下での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の上部水平変位ｗは次のように解くことができる。
Figure 0007250168000003
 式において、Ｍｏ（ｘ）は、単位荷重下で上部から長さｘの断面の曲げモーメント値を表し、Ｍ（ｘ）は、水平力Ｆの作用で上部から長さｘの断面の曲げモーメント値を表し、つまりＭｏ（ｘ）＝ｘ、Ｍ（ｘ）＝Ｆｘ、Ｅは弾性係数、Ｉ（ｘ）は断面の慣性モーメントを表し、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の断面は円形であるため、Ｉ（ｘ）＝πｄ（ｘ）４／６４。
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の各断面直径の変化関数である式（２）を式（３）に代入し、積分関数を解くと、次のようになる。
Figure 0007250168000004
 したがって、式（４）から、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の弾性剛性ｋｅは次のように求められる。
Figure 0007250168000005
 式（５）から、接合断面直径ｄｏの値を得ることができることと、
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置が耐えることができる極限弾性水平力Ｆｅと極限弾性変位ｗｅを計算し、各断面直径変化関数ｄ（ｘ）を解くステップ４であって、
本発明に記載の変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置は、金属高延性鋼材料を採用する。鋼材料の降伏応力がσｓであり、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置が耐えることができる極限弾性水平力がＦｅであると仮定して、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置が弾性状態の場合、各断面の外側の応力は等しく、ｘ＝Ｈ１での断面を研究対象とし、σs、ｄｏを式（１）に入れることにより、極限弾性水平力Ｆｅを逆に計算できる。
Figure 0007250168000006
 次に、式（５）および（６）から、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の極限弾性変位ｗｅは、次のように求めることができる。
Figure 0007250168000007
 ｄｏの値、Ｈの値、Ｈ１の値、σsの値、および式（６）、（７）、（２）によると、極限弾性水平力Ｆｅ、極限弾性変位ｗｅおよび断面直径変化関数ｄ（ｘ）はそれぞれ解くことができることと、
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置を高さ方向にｎセグメントに均等に分割し、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の上部に水平力Ｆを印加したときの、ｉ番目のセグメント断面の降伏曲げモーメントＭｙｉと実際の曲げモーメントＭｉを計算するステップ５であって、ｉ＝１、２、３．．．ｎ。
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の力－変位関係を計算するために、構造力学、材料力学、弾塑性力学の計算理論に従って、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の実情と合わせて、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の力学計算モードについて、以下の仮定を行う。（１）各断面は平面断面の仮定に従う。（２）純粋な曲げ状態のみを考慮する。（３）材料の等方性である。
本発明に記載の変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置は、高延性鋼材料構造であり、その材料の特性は、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の機械的動作に直接影響する。使用中の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の主な応力範囲は鋼応力プラットフォーム部にあるため、理論計算では理想的な弾塑性鋼モデルが使用される。
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の上部にかかる水平力ＦがＦｅを超える場合、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の断面一部が弾塑性状態になる。このとき、断面応力の分布を図３に示すように、図の断面の高さはｄ、塑性部の高さはＡ、弾性部の高さはＢであり、弾塑性理論によれば、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の水平変位ｗは、次の式で計算できる。
Figure 0007250168000008
 式では、Ｍ（ｘ）は頂部から長さｘの断面曲げモーメントを表し、Ｉ（ｘ）は頂部から長さｘの断面慣性モーメントを表し、Ｅは弾性係数を表し、Ｍｕは極限曲げモーメントを表し、Ｓｏは中立軸に対する半断面の静的モーメントを表し、Ｂは弾性部の高さを表す。
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の弾塑性変形計算方法は次のとおりである。まず、各断面の曲げモーメント分布と応力分布状態を解き、断面の弾性および弾塑性部の部材の計算された長さを決定し、次に、境界条件および前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の連続変形条件と組み合わせて、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の変形微分方程式セットを確立し、数値解析法を使用して微分方程式をくと、任意の水平力Ｆに対応する前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の弾塑性変形を計算できる。
上記の方法の計算プロセスは、エンジニアリングアプリケーションにとって非常に面倒で不便である。実際のアプリケーションでは、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の力と上部の変位の構成関係により多くの注意が払われていることを考慮して、簡略化された計算方法を提案する。
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の高さはＨであることが知られている。図４に示すように、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置を、高さ方向にｎ個の小さなセグメントに分割する。単一のセグメントの長さはｔであり、単一セグメントの純粋な曲げ変形図を図５に示す。
ｉ番目のセグメントのすべての断面直径と曲率が同じであると仮定すると、ｉ番目のセグメントの断面直径はｄｉであり、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の上部に水平力Ｆを加えると、ｉ番目のセグメントの断面曲げモーメントＭｉと断面のエッジひずみεiを得ることができる。この場合、平面断面の仮定によれば、ｉ番目のセグメントの断面曲率φiを取得できることと、
Figure 0007250168000009
 ｉ番目のセグメント断面の降伏曲げモーメントＭｙｉがその実際の曲げモーメントＭｉ以上の場合、断面のエッジの弾性ひずみεｉを計算して、ｉ番目のセグメント断面の断面曲率φiを取得し、ｉ番目のセグメント断面の降伏曲げモーメントＭｙｉがその実際の曲げモーメントＭｉより小さい場合、応力プラットフォームの高さＡを計算し、断面弾塑性ひずみεｉを計算して、ｉ番目のセグメント断面曲率φiを取得するステップ６であって、
Figure 0007250168000010
 ｉ番目のセグメント断面の降伏曲げモーメントＭｙｉは、式（１０）で計算できる。
各断面のひずみεｉは次のように計算される。
Figure 0007250168000011
Figure 0007250168000012
 式では、Ｍは断面の曲げモーメント、Ｅは弾性係数、Ｉは断面の慣性モーメント、ｄは断面の直径、εsは降伏ひずみ、Ａは塑性部の高さを表すことと、
すべてのセグメント断面曲率εiを使用して、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の上端の弾塑性変位ｗを計算し、それによって前記力と変位の関係を取得するステップ７であって、
高等数学における面積の曲面積分計算方法を使用して積分方程式
Figure 0007250168000013
を近似的に解き、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の上部変位を得ることができる。
Figure 0007250168000014
 上記の簡略化された計算方法を使用して、任意の一定断面および可変断面の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の弾塑性変位を計算することができ、それによって前記力－変位関係を得ることと、
前記力と変位の関係を橋全体のモデルにシミュレートして、前記橋梁の構造の変形が前記制御目標を満たしているかどうか、および橋梁の構造の応力が橋梁の設計仕様の要件を満たしているかどうかをテスト計算するステップ８と、
前記テスト結果に応じて、前記橋梁構造の変形が前記制御目標を満たし、橋梁構造の応力が橋梁設計仕様の要件を満たすまで、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の構造形状パラメータと弾性機械的性質パラメータを調整するステップ９と、を含む。 Preferably, the design method includes
Step 1 of determining the deformation or stress control target of the bridge structure according to the actual needs of the bridge;
Depending on the actual spatial distribution of the bridge, the number of said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming devices and the total height H and transition length H 1 of each said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device are determined by preliminary calculations. determining and simultaneously calculating the elastic stiffness ke of each said displacement limiting, impact absorbing and energy consuming device, comprising:
The number of displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming devices is first determined based on the actual spatial distribution of the bridge and design experience,
The total height H of said displacement limiting, impact absorbing and energy consuming device is determined by the actual space of the main beams and substructures of the main beams (structures such as piers, arch rib crossbeams, etc.) and the displacement limiting, impact absorbing and energy consuming devices and main Based on the size and space of the connecting structure with the substructure of the beam and the main beam, determine the value of the total height H of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device, H1 being 10% to 20% of H,
The elastic stiffness k e of each said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device is based on the maximum tractive and braking forces exerted on the bridge when a high-speed train crosses the bridge, and the number of said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming devices. and
Step 3 of calculating the joint cross-sectional diameter do of the transition section and the iso-strength section, comprising:
According to the design principle of a beam of equal strength, when the cross-sections of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device yield simultaneously, the upper ends of the The outer side of the cross section reaches maximum stress at the same time. The maximum bending stress in each section is
Figure 0007250168000001
 where σ max (x) represents the maximum bending stress, F represents the horizontal force at the top, x represents the length from the top, and d(x) represents the cross-sectional diameter.
According to the principle of equal-strength bridge design, each cross-sectional diameter change function of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices can be solved by equation (1).
Figure 0007250168000002
 Said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device of the present invention is in cantilever stress mode, and the deformation and internal force distribution of said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device under the action of upper horizontal force F are shown in FIGS. It is shown in FIG. 2b. In this figure, w represents the horizontal displacement of the upper portion of the displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device, and M represents the sectional bending moment of the displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device.
When the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device is in an elastic state, from the computational theory of structural mechanics, the upper horizontal displacement w of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device under the action of F is: can be solved.
Figure 0007250168000003
 In the formula, M o (x) represents the bending moment value of the cross-section of length x from the top under unit load, and M(x) is the bending moment of the cross-section of length x from the top under the action of horizontal force F M o (x)=x, M(x)=Fx, E is the modulus of elasticity, I(x) is the moment of inertia of the cross-section, and the cross-section of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device is Since it is circular, I(x)=πd(x) 4 /64.
Substituting equation (2), which is the function of change in the cross-sectional diameters of the displacement-limiting/shock-absorbing and energy-consuming devices, into equation (3) and solving the integral function yields the following.
Figure 0007250168000004
 Therefore, from equation (4), the elastic stiffness ke of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device is obtained as follows.
Figure 0007250168000005
 From equation (5), the value of the joint cross-sectional diameter d o can be obtained;
Step 4: calculating the ultimate elastic horizontal force F e and the ultimate elastic displacement w e that the displacement limiting, impact absorbing and energy consuming device can withstand, and solving each cross-sectional diameter change function d(x),
The displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device described in the present invention employs metallic high ductility steel material. Assuming that the yield stress of the steel material is σ s and the ultimate elastic horizontal force that the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device can withstand is F e , the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device is in the elastic state, the stress outside each cross-section is equal, and by taking the cross-section at x=H 1 under study and putting σ s , do into equation (1), the ultimate elastic horizontal force F e can be inversely expressed as can be calculated to
Figure 0007250168000006
 Then, from equations (5) and (6), the ultimate elastic displacement we of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device can be determined as follows.
Figure 0007250168000007
 According to the value of do , the value of H, the value of H1 , the value of σ s and equations (6), (7), (2), the ultimate elastic horizontal force F e , the ultimate elastic displacement w e and the cross-sectional diameter that each of the change functions d(x) can be solved;
The i-th segment cross-section when the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device is equally divided into n segments in the height direction and a horizontal force F is applied to the upper part of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device. Step 5 of calculating the yield bending moment M yi and the actual bending moment M i for i=1, 2, 3 . . . n.
In order to calculate the force-displacement relationship of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device, according to the computational theory of structural mechanics, material mechanics, elastoplastic mechanics, and the actual situation of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device. , the following assumptions are made about the dynamics calculation mode of the displacement limiting/shock absorbing and energy consuming devices. (1) Each section follows the assumption of a plane section. (2) Only pure bending conditions are considered. (3) the isotropy of the material;
The displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device according to the present invention is of high ductility steel material construction, and the properties of the material directly affect the mechanical behavior of said displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device. An ideal elastoplastic steel model is used in the theoretical calculations, because the main stress range of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device in use is in the steel stress platform.
If the horizontal force F on the top of the displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device exceeds Fe , a part of the cross-section of the displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device becomes elastoplastic. At this time, as shown in FIG. 3, the cross-sectional stress distribution is d, the height of the plastic part is A, and the height of the elastic part is B. According to the theory of elasto-plasticity, the above The horizontal displacement w of the displacement limiting/shock absorbing and energy consuming device can be calculated by the following equation.
Figure 0007250168000008
 In the equation, M(x) represents the cross-sectional bending moment of length x from the top, I(x) represents the cross-sectional moment of inertia of length x from the top, E represents the modulus of elasticity, and Mu is the ultimate bending moment. , S o represents the static moment of the half-section about the neutral axis, and B represents the height of the elastic section.
The elastic-plastic deformation calculation method of the displacement limiting/shock absorbing/energy consuming device is as follows. First solve the bending moment distribution and stress distribution state of each cross section, determine the calculated length of the members of the elastic and elastoplastic sections of the cross section, then the boundary conditions and the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices Establishing a set of deformation differential equations for the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device in combination with the continuous deformation condition of F, and using numerical analysis methods to formulate the differential equations, the displacement corresponding to any horizontal force F The elasto-plastic deformation of restrictive, shock absorbing and energy consuming devices can be calculated.
The computational process of the above methods is very cumbersome and inconvenient for engineering applications. Considering that in practical applications, more attention is paid to the constitutive relationship between force and top displacement of said displacement limiting/shock absorbing and energy consuming devices, a simplified calculation method is proposed.
It is known that the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device has a height H. As shown in FIG. 4, the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device is divided into n small segments in the height direction. The length of the single segment is t and the pure bending deformation diagram of the single segment is shown in FIG.
Assuming that all cross-sectional diameters and curvatures of the i-th segment are the same, the cross-sectional diameter of the i-th segment is d i , exerting a horizontal force F on the top of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device. , the cross-sectional bending moment M i and cross-sectional edge strain ε i of the i-th segment can be obtained. In this case, according to the plane section assumption, the section curvature φ i of the i-th segment can be obtained;
Figure 0007250168000009
 if the yield bending moment M yi of the i th segment cross-section is greater than or equal to its actual bending moment M i , calculate the elastic strain ε i of the edge of the cross-section to obtain the cross-sectional curvature φ i of the i th segment cross-section; If the yield bending moment M yi of the i-th segment cross-section is less than its actual bending moment M i , calculate the height A of the stress platform, calculate the cross-sectional elastic-plastic strain ε i , and the i-th segment cross-sectional curvature Step 6 of obtaining φ i ,
Figure 0007250168000010
 The yield bending moment M yi of the i-th segment cross-section can be calculated by equation (10).
The strain ε i for each cross section is calculated as follows.
Figure 0007250168000011
Figure 0007250168000012
 where M is the bending moment of the section, E is the modulus of elasticity, I is the moment of inertia of the section, d is the diameter of the section, ε is the yield strain, and A is the height of the plastic part;
Step 7 of calculating the elasto-plastic displacement w of the upper end of said displacement limiting, impact absorbing and energy consuming device using all segment cross-sectional curvatures ε , thereby obtaining said force-displacement relationship,
Integral equation using the curved integral calculation method of area in advanced mathematics
Figure 0007250168000013
can be approximately solved to obtain the upper displacement of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device.
Figure 0007250168000014
 Using the simplified calculation method above, the elasto-plastic displacement of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device for arbitrary constant and variable cross sections can be calculated, thereby expressing the force-displacement relationship as to get and
Simulating the force-displacement relationship into a model of the entire bridge to determine whether the structural deformation of the bridge satisfies the control objectives and whether the structural stress of the bridge satisfies the requirements of the bridge design specifications. step 8 of testing whether
Structural shape parameters and elastic mechanical parameters of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices are controlled according to the test results until the deformation of the bridge structure meets the control objectives and the stress of the bridge structure meets the requirements of bridge design specifications. and a step 9 of adjusting a property parameter.

さらに好ましくは、前記力－変位の関係に従って、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の力－変位骨格曲線を描く。 More preferably, the force-displacement skeleton curve of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device is drawn according to said force-displacement relationship.

好ましくは、該設計方法は、
橋梁の実際ニーズに応じて、橋梁の構造の変形又は応力の制御目標を決定するステップ１と、
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の構造形状パラメータと弾性機械的性質パラメータを計算するステップ２と、
前記構造形状パラメータと前記弾性機械的性質パラメータに従って、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の力と変位関係を計算するステップ３と、
前記力と変位の関係を橋全体のモデルにシミュレートして、前記橋梁構造の変形が、さまざまな通常の動作荷重条件下で前記制御目標を満たしているかどうかをテストおよび計算し、
前記橋梁構造の変形の計算値が、列車荷重の作用下での前記橋梁構造の変形の制限値を満たさない場合、設計された前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の変位制限剛性が小さいことを示している。このとき、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の初期弾性剛性ｋｅの値を直接増加させ、前記ステップ２～３を繰り返して、前記橋梁構造変形が前記制御目標を満たしているかどうかを再テスト計算でき、
前記橋梁構造の変形の計算値が、列車荷重の作用下での前記橋梁構造の変形の制限値を満たす場合、次のステップを行うステップ４と、
前記橋梁構造応力が橋梁設計仕様の要件を満たしているかどうかをテスト計算し、つまり、さまざまな通常の動作荷重条件下で、橋梁構造の内力と変形が標準的な応力の要件を満たしているかどうかを計算し、
そうでない場合は、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の初期弾性剛性ｋｅの値を下げ、前記ステップ２～４を繰り返し、前記橋梁構造の変形が前記制御目標を満たしているかどうか、および橋梁構造の内力と変形が標準的な応力要件を満たしているかどうかを再テストして計算し、
そうである場合は、次のステップに進むステップ５と、
死荷重および地震荷重の条件下で前記橋梁構造の変形が前記制御目標を満たしているかどうか、および前記橋梁構造の応力が橋梁設計仕様の要件を満たしているかどうかをテストおよび計算するステップ６であって、
前記橋梁構造の変形は、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の地震変形が橋梁支承の許容地震変形よりも小さく、且つ前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の極限変形が、前記橋梁支承の許容地震変形と橋梁の実際の地震需要変形２つのうちの最大値よりも大きいことを満たす必要であり、このようにすることでのみ、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の地震エネルギー消費能力を十分に活用することができる。
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の極限変形が、前記橋梁支承の許容地震変形および実際の地震需要変形２つのうちの最大値以下である場合、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置を、調整する必要であり、各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の初期弾性剛性ｋｅの値を減らし、同時に前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の数を増やして、全体的な弾性剛性が以前と同じであることを保証し、
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の極限変形が要件を満たしているが、前記橋梁の構造応力が橋梁の設計仕様の要件を満たしていない場合、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置は十分なエネルギーを消費せず、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置のエネルギー消費能力を改善し、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の全体的な弾性剛性を高める必要がある。それにより前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置がより多くの地震エネルギーを放散でき、橋梁構造への応力を軽減して、橋梁設計仕様の要件を満たすことと、を含む。 Preferably, the design method includes
Step 1 of determining the deformation or stress control target of the bridge structure according to the actual needs of the bridge;
Step 2 of calculating structural shape parameters and elastic-mechanical property parameters of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device;
step 3 of calculating the force-displacement relationship of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device according to said structural geometry parameters and said elastic mechanical property parameters;
simulating the force-displacement relationship into a model of the entire bridge to test and calculate whether the deformation of the bridge structure meets the control objectives under various normal operating load conditions;
If the calculated value of deformation of said bridge structure does not satisfy the limit value of deformation of said bridge structure under the action of train load, the displacement limit stiffness of said designed displacement limit, shock absorption and energy consumption device is small. is shown. At this time, the value of the initial elastic stiffness k e of the displacement limiting/shock absorbing and energy consuming device is directly increased, and the steps 2 and 3 are repeated to recheck whether the bridge structure deformation satisfies the control target. can calculate the test,
Step 4, if the calculated deformation of the bridge structure satisfies the limit of deformation of the bridge structure under train load, performing the following steps;
Test calculation whether the said bridge structural stress meets the requirements of bridge design specifications, i.e. whether the internal force and deformation of the bridge structure meet the standard stress requirements under various normal operating load conditions to calculate
if not, decrease the value of the initial elastic stiffness k e of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device, repeat the steps 2-4, whether the deformation of the bridge structure meets the control target; Retest and calculate whether the internal force and deformation of the bridge structure meet the standard stress requirements,
if so, step 5 proceeding to the next step;
step 6 of testing and calculating whether the deformation of the bridge structure under dead load and seismic load conditions meets the control objectives and whether the stress of the bridge structure meets the requirements of bridge design specifications; hand,
The deformation of the bridge structure is such that the seismic deformation of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device is less than the allowable seismic deformation of the bridge bearing, and the ultimate deformation of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device is less than the bridge bearing. of the allowable seismic deformation of the bridge and the actual seismic demand deformation of the bridge is greater than the maximum of the two. Ability can be fully utilized.
If the ultimate deformation of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device is equal to or less than the maximum of two of the allowable seismic deformation and the actual seismic demand deformation of said bridge bearing, said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device , it is necessary to adjust, reduce the value of the initial elastic stiffness k e of each of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming devices, and at the same time increase the number of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming devices, so that the overall elasticity ensuring that the stiffness is the same as before,
If the ultimate deformation of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device meets the requirements, but the structural stress of the bridge does not meet the requirements of the bridge design specifications, the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device shall: Without consuming enough energy, there is a need to improve the energy consumption capability of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device, and increase the overall elastic stiffness of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device. thereby allowing the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices to dissipate more seismic energy, reducing stress on the bridge structure and meeting bridge design specification requirements.

さらに好ましくは、前記橋梁構造の変形は梁端変位である。 More preferably, the deformation of the bridge structure is beam end displacement.

さらに好ましくは、前記ステップ４と前記ステップ５に記載の通常の動作荷重条件は、最も不利な荷重条件である。 More preferably, the normal operating load conditions described in steps 4 and 5 are the most unfavorable load conditions.

さらに好ましくは、前記最も不利な荷重条件には、死荷重＋温度荷重、死荷重＋列車荷重＋温度荷重などの通常の動作荷重条件が含まれる。 More preferably, said most unfavorable load conditions include normal operating load conditions such as dead load + temperature load, dead load + train load + temperature load.

さらに好ましくは、前記ステップ４では、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の数を増やすか、又は前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の断面サイズを大きくすることによって、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の初期弾性剛性ｋｅの値を増加させる。 More preferably, in step 4, the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices are increased in number or the cross-sectional size of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices is increased. Increase the value of the initial elastic stiffness ke of the absorbing and energy consuming devices.

さらに好ましくは、前記ステップ５では、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の数を減らすか、または前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の断面サイズを小さくすることによって、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の初期弾性剛性ｋｅの値を減少させる。 More preferably, in the step 5, the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices are reduced in number or the cross-sectional size of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices is reduced. Decrease the value of the initial elastic stiffness ke of the absorbing and energy consuming devices.

さらに好ましくは、前記ステップ６の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の地震変形には、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の地震変位が含まれる。 More preferably, the seismic deformation of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device in said step 6 includes seismic deformation of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device.

さらに好ましくは、前記ステップ６の前記橋梁支承の許容地震変形には、前記橋梁支承の許容地震変位が含まれる。 More preferably, the allowable seismic deformation of said bridge bearing in said step 6 includes an allowable seismic displacement of said bridge bearing.

さらに好ましくは、前記ステップ６の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の極限変形には、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の極限変位が含まれる。 More preferably, the extreme deformation of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device in step 6 includes the extreme displacement of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device.

さらに好ましくは、前記ステップ６の前記橋梁実際の地震需要の変形には、橋梁実際の地震需要変位が含まれる。 More preferably, said deformation of said bridge actual seismic demand in said step 6 includes bridge actual seismic demand displacement.

さらに好ましくは、前記ステップ６において、各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の高さを増加させるか、または各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の断面サイズを減少させることにより、各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の初期弾性剛性ｋｅの値を減少させる。 More preferably, in step 6, each Decrease the value of the initial elastic stiffness ke of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device.

さらに好ましくは、前記ステップ６では、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の数を増やすか、又は各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の初期弾性剛性と降伏剛性を増やす（つまり、各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の断面サイズを増やす）ことにより前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の全体的な弾性剛性を高める。 More preferably, in said step 6, the number of said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming devices is increased, or the initial elastic stiffness and yield stiffness of each said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device are increased (i.e., each Increasing the cross-sectional size of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device increases the overall elastic stiffness of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device.

好ましくは、上記の設計方法と関連する橋梁の設計仕様に従って、ＭＡＴＬＡＢソフトウェアのＧＵＩ技術を使用して、大スパン鉄道橋梁用弾塑性金属製の変位制限・衝撃吸収装置の設計ソフトウェアを作成する。関連するパラメータを入力することにより前記変位制限・衝撃吸収装置の関連する機械的パラメータを計算できる。 Preferably, according to the above design method and associated bridge design specifications, MATLAB software GUI technology is used to create design software for elastoplastic metal displacement limiting and shock absorbing devices for large span railroad bridges. Relevant mechanical parameters of the displacement limiting and shock absorbing device can be calculated by inputting the relevant parameters.

要約すると、上記の技術的解決手段の採用により、本発明の有益な効果は以下のとおりである。
１、鉄道橋梁用弾塑性金属製の変位制限・衝撃吸収装置の設計方法を確立し、前記変位制限・衝撃吸収装置の具体的な構造対策を提案し、この設計方法は、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の弾性および弾塑性機械計算式を詳細に導き出し、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の機械的特性を分析し、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置による橋の耐震性能に及ぼす影響を分析する。
２、本発明に記載の鉄道橋用弾塑性金属変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の設計方法を用いて、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の簡略設計方法を確立し、このアルゴリズムは、高い計算精度と高速性を備えており、実際のエンジニアリングアプリケーションの要件に適合する。
３、本発明に記載の鉄道橋用弾塑性金属変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の設計方法を用いて、有限要素法を用いて、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の機械的特性と橋梁の耐震性能を分析する。分析結果は、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置が梁端の変位を十分に制限し、運転の快適性と安全性のための高速鉄道の要件を満たすことができ、地震の作用下で、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置は、地震エネルギーを効果的に放散し、大スパン橋梁端部の変位を約２０％低減することができ、衝撃吸収効果は明らかであることを示している。 In summary, by adopting the above technical solutions, the beneficial effects of the present invention are as follows.
1. Establish a design method for a displacement limiting/impact absorbing device made of elastic-plastic metal for railway bridges, and propose specific structural measures for the displacement limiting/impact absorbing device. Deriving in detail the elastic and elastoplastic mechanical calculation formulas of the absorbing and energy consuming devices, analyzing the mechanical properties of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices, and the seismic resistance of the bridges by the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices. Analyze impact on performance.
2. Using the method of designing the elastoplastic metal displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device for railway bridges according to the present invention, a simplified design method for the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device is established, and the algorithm is , with high computational accuracy and speed, which meets the requirements of practical engineering applications.
3. Using the design method of elasto-plastic metal displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device for railway bridge according to the present invention, using the finite element method, the mechanical properties of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device and analyze the seismic performance of the bridge. The analysis results show that the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device can sufficiently limit the displacement of the beam end and meet the requirements of high-speed railway for driving comfort and safety, and the , the displacement limit, shock absorption and energy consumption device can effectively dissipate seismic energy and reduce the displacement of large-span bridge ends by about 20%, and the shock absorption effect is obvious. there is

本発明による鉄道橋用弾塑性金属変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の構造模式図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a structural schematic diagram of the elastoplastic metal displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device for railway bridge according to the present invention; 上部の水平力Ｆの下での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の変形の模式図である。Fig. 4 is a schematic diagram of the deformation of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device under the horizontal force F of the top; 上部水平力Ｆの下での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の内力分布の模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram of the internal force distribution of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device under upper horizontal force F; 弾塑性状態での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の断面応力分布の模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram of cross-sectional stress distribution of the displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device in an elasto-plastic state; 前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の機械的性能計算モデルの模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a mechanical performance calculation model of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device; 前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の単一セグメントの変形の模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a single-segment deformation of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device; 本発明による鉄道橋用弾塑性金属変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の設計方法のプロセス模式図である。1 is a process schematic diagram of a design method of an elastoplastic metal displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device for railway bridges according to the present invention; FIG. 実施例における橋全体構造の模式図である。It is a schematic diagram of the bridge whole structure in an Example. 実施例における前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の設置位置の模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram of the installation position of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device in the embodiment; 図８Ｉ－Ｉの断面図である。FIG. 8I is a cross-sectional view of FIG. 8I; 実施例における前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の力－変位骨格曲線である。Fig. 4 is a force-displacement skeleton curve of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device in an embodiment; 実施例におけるまれな地震１の作用下での、支承のみが設置された、および支承と前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置が同時に設置された２つの作業条件下での梁端変位の時間履歴曲線である。Time of beam end displacement under the action of a rare earthquake 1 in the example under two working conditions in which only the bearing was installed and in which the bearing and said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device were installed simultaneously It is a history curve. 実施例におけるまれな地震１の作用下での、支承のみが設置された、および支承と前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置が同時に設置された、２つの作業条件下でのスパンドレル下弦材の応力時間履歴曲線である。Under the action of a rare earthquake 1 in the example, the spandrel lower chord under two working conditions, in which only the bearings were installed and in which the bearings and said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming devices were installed at the same time. 4 is a stress-time history curve; 実施例におけるまれな地震１の作用下での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置のヒステリシスエネルギー消費曲線である。Fig. 4 is a hysteresis energy consumption curve of the displacement limiting, shock absorption and energy consumption device under the action of a rare earthquake 1 in an example; 実施例におけるまれな地震３の作用下での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置のヒステリシスエネルギー消費曲線である。3 is a hysteresis energy consumption curve of the displacement limiting, shock absorption and energy consumption device under the action of rare earthquake 3 in an example;

以下では、試験例および発明を実施するための形態を参照しながら、本発明の前述の主題の範囲が以下の実施例に限定されることを理解されるべきではなく、本発明の内容に基づいて実施されるすべての技術が本発明の範囲に属する。 In the following, with reference to the test examples and the detailed description, it should not be understood that the scope of the aforementioned subject matter of the invention is limited to the following examples, but based on the content of the invention. All techniques that are implemented within the scope of the present invention.

実施例
大スパン中路式コンクリート平行アーチ橋であって、その主橋スパンは３０ｍ＋２９６ｍ＋３０ｍであり、セミフローティングシステムを採用し、橋の上の線は二重線であり、橋全体で合計１６対のブームがあり、主アーチ基礎は縦杭＋傾斜杭を採用し、ＺＫ荷重形態を採用し、全体の温度荷重温度の上昇と下降は３０度で計算され、主梁３は、箱型断面の鋼コンクリート複合梁を採用し、梁高さは２．５ｍ、横梁と縦梁の高さは同じであり、支承の横梁は箱型断面であり、主梁３の鋼梁はＱ３４５ｑＤ、Ｑ３４５ｑＥ鋼製、主梁３の橋床版はＣ５０コンクリート製であり、橋梁サイトの地震強度は８度０．２ｇであった。 Example A large-span concrete parallel arch bridge, the main span of which is 30m+296m+30m, adopts a semi-floating system, the upper line of the bridge is a double line, and the whole bridge has a total of 16 pairs of booms. , the main arch foundation adopts vertical piles + sloped piles, adopts ZK loading mode, the temperature rise and fall of the whole temperature load is calculated at 30 degrees, and the main beam 3 is made of steel concrete with a box-shaped cross section. Composite beams are adopted, the height of the beam is 2.5m, the height of the horizontal beam and the vertical beam is the same, the horizontal beam of the bearing has a box-shaped cross section, the steel beam of the main beam 3 is made of Q345qD and Q345qE steel, the main beam is The bridge deck slab of beam 3 was made of C50 concrete, and the seismic strength of the bridge site was 0.2 g at 8 degrees.

Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌを使用して、橋全体のモデルを作成した。図７に示すように、梁要素を使用して主梁３とアーチリブ２の鋼管をシミュレートし、スラブ要素を使用してコンクリート橋のデッキをシミュレートし、アーチリブ２の外側にコンクリートが包まれ、スラブ要素を使用してシミュレートし、自重、第２段階の死荷重、列車荷重などを考慮して、杭基礎は６つのばね要素を採用して同等のシミュレーションを行った。 A model of the entire bridge was created using Midas/Civil. As shown in Figure 7, beam elements are used to simulate the steel pipes of the main beams 3 and arch ribs 2, slab elements are used to simulate the deck of a concrete bridge, and concrete is wrapped around the outside of the arch ribs 2. , slab elements were used to simulate, and the pile foundation adopted 6 spring elements to perform equivalent simulations, considering self-weight, second stage dead load, train load, etc.

該橋梁全体はセミフローティングシステムを採用しているため、縦方向の拘束が比較的弱く、高速鉄道の運転快適性と安全性を確保するために、変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１を設計する必要がある。軌道の変形、運転のハーシュネス、橋梁構造応力の合理性などの要素を総合的に考慮することを前提として、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の設計制御目標は次のように決定された。前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１は、列車の牽引力または制動力の作用下で、大きな橋の梁端部の変位が５ｍｍを超えないことを保証することができる。前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の拘束効果による温度二次内力・温度変形は、橋梁構造の安全性や運転安全性に影響を与えないため、通常の運転荷重では、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１は、弾性状態を維持し、可塑性が発生せず、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１は、良好な衝撃吸収・エネルギー消費能力を有する。 The whole bridge adopts a semi-floating system, so the longitudinal restraint is relatively weak. In order to ensure the driving comfort and safety of the high-speed railway, the displacement limit, shock absorption and energy consumption device 1 is designed. There is a need to. On the premise of comprehensive consideration of factors such as track deformation, driving harshness, and rationality of bridge structural stress, the design control targets of the displacement limit/shock absorption and energy consumption device 1 are determined as follows. rice field. Said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 can ensure that the displacement of the beam ends of large bridges does not exceed 5mm under the action of train traction or braking force. Since the temperature secondary internal force and temperature deformation due to the displacement limitation/impact absorption and restraint effect of the energy consumption device 1 do not affect the safety of the bridge structure and the operational safety, the displacement limitation/ The shock absorbing and energy consuming device 1 maintains an elastic state and no plasticity occurs, and the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 has good shock absorbing and energy consuming ability.

該橋梁に対応する高速列車の牽引力と制動力荷重の設計パラメータを表１に示す。 Table 1 shows the design parameters of the tractive force and braking force load of the high-speed train corresponding to the bridge.

表１、列車牽引、制動力パラメータ表

Figure 0007250168000015
Table 1 Train traction and braking force parameter table
Figure 0007250168000015

上記の表１のデータの計算から、橋を渡るときに橋の上の高速列車によって引き起こされる最大の牽引力と制動力は４６０ｋＮであることがわかり、梁端の変位は５ｍｍで制御される場合、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の水平方向の総弾性剛性は９２ｋＮ／ｍｍである必要があり、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の製造誤差、建設偏差、材料特性誤差等の要因を考慮して、余剰の２５％を事前に留保するように前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の水平弾性剛性は１１０．４ｋＮ／ｍｍに設計された。 From the calculation of the data in Table 1 above, we find that the maximum tractive and braking forces induced by a high-speed train on the bridge when crossing the bridge are 460 kN, and if the beam end displacement is controlled at 5 mm, The total horizontal elastic stiffness of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 should be 92 kN/mm, and the manufacturing error, construction deviation, material property error, etc. of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 should be avoided. The horizontal elastic stiffness of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 was designed to be 110.4 kN/mm so as to reserve 25% of the surplus in advance.

該橋梁のアーチリブ横梁２１の空間分布に応じて、該橋梁の各アーチリブ横梁２１上に、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の８個を設計・配置し、橋全体に合計１６個配置し、単一の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の水平弾性剛性は７．２ｋＮ／ｍｍであり、単一アーチリブ横梁２１上の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の垂直および平面レイアウト形態をそれぞれ図８と図９に示す。 According to the spatial distribution of the arch-rib beams 21 of the bridge, 8 units of the displacement limiting, shock-absorbing and energy-consuming devices 1 are designed and arranged on each arch-rib beam 21 of the bridge, and 16 units in total are arranged throughout the bridge. and the horizontal elastic stiffness of the single displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device 1 is 7.2 kN/mm, and the vertical and vertical elastic stiffness of the displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device 1 on the single arch rib cross beam 21 is 7.2 kN/mm. Planar layout configurations are shown in FIGS. 8 and 9, respectively.

単一の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の水平弾性剛性を橋全体モデルにシミュレートし、Ｍｉｄａｓソフトウェアを使用して、各動作条件下での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の内力と変形を分析した。計算結果は表２に示す。 The horizontal elastic stiffness of the single said displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device 1 was simulated in the whole bridge model, and using Midas software, said displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device under each operating condition. The internal force and deformation of 1 were analyzed. Table 2 shows the calculation results.

表２、さまざまな最も不利な荷重条件下での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の内力および変形の計算結果表

Figure 0007250168000016
Table 2, Calculation results table of internal forces and deformations of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device under various most unfavorable loading conditions
Figure 0007250168000016

上記の表２の分析から、列車牽引制動力の作用下で、該橋梁の梁端変位は４．１７ｍｍであることがわかる。これは、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の水平弾性剛性が７．２ｋＮ／ｍｍに従って設計すると、梁端の変位を制御することができ、設計要件を満たすことを示している。通常の操作における該橋梁の様々な最も不利な条件下での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の最大水平力は２４０ｋＮである。前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１が操作中に弾性状態にあることを保証するために、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の極限弾性荷重を、２４０ｋＮ、すなわち、Ｆｅ＝２４０ｋＮにするように設計した。 From the analysis of Table 2 above, it can be seen that under the action of train traction braking force, the beam end displacement of the bridge is 4.17 mm. This indicates that the displacement of the beam end can be controlled by designing the horizontal elastic rigidity of the displacement limiting/shock absorbing/energy consuming device 1 according to 7.2 kN/mm, which satisfies the design requirements. The maximum horizontal force of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 under various most unfavorable conditions of said bridge in normal operation is 240 kN. To ensure that the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device 1 is in an elastic state during operation, the ultimate elastic load of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device 1 is set to 240 kN, i.e. F e = It was designed to be 240 kN.

また、該橋梁の設計図によれば、アーチリブ横梁２１の上面と主梁３の底面とのすきまは３ｍであることがわかる。総合的な検討（前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１とアーチリブ横梁２１及び主梁３の接続部材のサイズや設置スペース等の要因）を経て、この橋で使用されている前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の全高はＨ＝２．５ｍとして設計されており、移行部の長さはＨ１＝４１６ｍｍである。 According to the design drawing of the bridge, the clearance between the upper surface of the arch rib cross beam 21 and the bottom surface of the main beam 3 is 3 m. After a comprehensive examination (factors such as the size of the connection member of the displacement limit/impact absorption and energy consumption device 1 and the arch rib cross beam 21 and the main beam 3, installation space, etc.), the displacement limit/impact absorption and energy consumption device 1 used in this bridge The total height of the shock-absorbing and energy-consuming device 1 is designed as H=2.5 m, the transition length H 1 =416 mm.

したがって、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の基本的な設計パラメータは、弾性剛性ｋｅ＝７．２ｋＮ／ｍｍ、極限弾性荷重Ｆｅ＝２４０ｋＮ、高さＨ＝２．５ｍ、および移行部長Ｈ１＝０．４１６ｍであると決定された。前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の数は１６であり、上記の式（５）を使用して、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の前記移行部１１と前記等強度部１２の接合部断面直径ｄｏの値を解くことができる。 Therefore, the basic design parameters of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 are elastic stiffness k e =7.2 kN/mm, ultimate elastic load F e =240 kN, height H=2.5 m and transition It was determined that the length H 1 =0.416 m. The number of said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming devices 1 is 16, and using the above equation (5), said transition portion 11 and said iso-strength portion of said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device 1 Twelve joint cross-sectional diameter d o values can be solved.

接合断面直径ｄｏの値を取得した後、上記の式（６）を使用して、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の極限弾性水平力Ｆｅを解くことができ、上記の式（７）を使用して、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の極限弾性変位ｗｅの値を解くことができ、上記の式（２）を使用すると、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の断面直径変化関数は次のようになる。

Figure 0007250168000017
After obtaining the value of the joint cross-sectional diameter d o , equation (6) above can be used to solve for the ultimate elastic horizontal force F e of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1, yielding the above equation (7) can be used to solve the value of the ultimate elastic displacement w e of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1, and using equation (2) above, the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 can be solved for The cross-sectional diameter change function of the energy consuming device 1 is as follows.
Figure 0007250168000017

断面直径変化関数ｄ（ｘ）を取得した後、上記の式（８）、式（９）、式（１０）、式（１１）、式（１２）、および式（１３）を使用して、任意の一定断面積および可変断面の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の弾塑性変位を計算できる。 After obtaining the cross-sectional diameter change function d(x), using equations (8), (9), (10), (11), (12), and (13) above, The elasto-plastic displacement of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 of arbitrary constant and variable cross-sections can be calculated.

単一の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の機械的パラメータの計算結果を表３に示す。 Table 3 shows the calculated mechanical parameters of the single displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 .

表３、単一の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の機械的パラメータ表

Figure 0007250168000018
Table 3, Table of mechanical parameters for a single said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device
Figure 0007250168000018

前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の力－変位骨格曲線を図１０に示す。表２と表３を参照しながら分析すると、列車の牽引制動力条件下での梁端変位４．１７ｍｍは、制御目標の５ｍｍより小さい、さまざまな最も不利な荷重条件下での単一の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の最大水平荷重は、すべて単一の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の降伏荷重よりも小さく、さまざまな最も不利な荷重条件下での単一の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の最大変位はすべて、単一の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の降伏変位よりも小さく、橋梁設計仕様の要件を満たす。 The force-displacement skeleton curve of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 is shown in FIG. Analyzed with reference to Tables 2 and 3, the beam end displacement of 4.17 mm under train tractive braking force conditions is less than the control target of 5 mm, and the single said The maximum horizontal load of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device 1 is all less than the yield load of said single displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device 1, and the single of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 are all smaller than the yield displacement of a single said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 and meet the requirements of bridge design specifications.

前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１を橋全体モデルでシミュレーションした後、地震波を橋全体モデルでシミュレーションした。地震波の入力は、地震安全性評価レポートによって提供される９つの地震地動に従って時間履歴分析（頻繁な、設計された、およびまれな地震の場合はそれぞれ３つである）を行い、縦方向の地震地動の入力を考慮して、主に、設計された、まれな地震の作用下での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１からの橋の耐震性能に対する影響を分析した。 After simulating the displacement limiting/shock absorbing/energy consuming device 1 with the whole bridge model, seismic waves were simulated with the whole bridge model. The seismic input was subjected to time-history analysis (three each for frequent, designed, and rare earthquakes) according to the nine seismic ground motions provided by the seismic safety assessment report, and for longitudinal earthquakes. Considering the ground motion input, the influence on the seismic performance of the bridge from said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 under the action of mainly designed, rare earthquakes was analyzed.

図１１ａと図１１ｂに示すように、まれな地震地動の作用下では、該橋には支承のみがあり、支承と前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１が同時に取り付けられている２つの動作状況での梁端の変位とスパンドレル下弦材の応力時間履歴曲線であり、図１１ａの分析から、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１のない橋梁と比較して、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１を設置すると、アーチの梁端変位を大幅に低減できることがわかり、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１なしの動作状況での橋梁端部の変位は３５４ｍｍであり、上記の変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１の設計を採用した後、梁端の変位は２６３ｍｍに減少し、変位は２５．７％減少し、図１１ｂの分析から、２つの動作状況下で、スパンドレル下弦材応力の差は、小さいことがわかり、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１がある場合の応力は１１１．５ＭＰａであり、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１のない場合の応力は１０８．２ＭＰａであり、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１が、メインアーチリングの応力を増加させることなく、主梁３の変位を効果的に制限できることを示している。 As shown in Figures 11a and 11b, under the action of rare seismic ground motions, the bridge has only bearings, and the two motions in which the bearings and said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 are installed at the same time. Fig. 11a is a stress-time history curve of beam end displacement and spandrel lower chord under conditions and from the analysis of Fig. 11a it can be seen that the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 compared to a bridge without said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1; and the installation of the energy consuming device 1 can significantly reduce the beam end displacement of the arch. After adopting the design of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1, the displacement of the beam end is reduced to 263 mm, the displacement is reduced by 25.7%, and from the analysis of Fig. 11b, under the two operating conditions, It can be seen that the difference in spandrel lower chord stress is small. is 108.2 MPa, indicating that the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 can effectively limit the displacement of the main beam 3 without increasing the stress of the main arch ring.

表４、設計された、まれな地震下での梁端変位、アーチリング弦材応力、アーチリブ横梁２１曲げモーメント、およびその衝撃吸収率の結果表

Figure 0007250168000019
Table 4, Designed result table of beam end displacement, arch ring chord stress, arch rib transverse beam 21 bending moment, and its shock absorption rate under rare earthquakes
Figure 0007250168000019

表４に示すように、設計された、まれな地震の下で、梁端の変位、アーチリングの弦材応力、アーチリブの横梁曲げモーメントとその衝撃吸収率の結果であり、図１２ａおよび１２ｂに示すように、まれな地震１およびまれな地震３の作用下での前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１のヒステリシスエネルギー消費曲線であり、分析は、本発明に記載の鉄道橋用弾塑性金属変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の設計方法によって設計された前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１を利用することにより、主梁３の梁端の変位は、設計された、およびまれな地震の下で衝撃吸収率を約２０％に達することができるが、メインアーチリングの弦材応力とアーチリブ横梁２１の内力はすべて、大幅に増加していないことを示している。これは、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置１が地震エネルギーを十分に放散し、橋の主梁３の変位を効果的に低減でき、変位制限の役割を果たし、大スパン鉄道橋梁への良好な適応性を有することを完全に示している。 Table 4 shows the results of beam end displacement, arch ring chord stress, arch rib transverse beam bending moment and its shock absorption rate under a designed, rare earthquake, and Figures 12a and 12b. As shown, the hysteresis energy consumption curves of the displacement limiting, shock absorption and energy consumption device 1 under the action of Rare Earthquake 1 and Rare Earthquake 3, the analysis is elasto-plastic for railway bridge according to the present invention. By utilizing said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device 1 designed according to the method of designing a metal displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device, the displacement of the beam end of the main beam 3 is designed and rare. It shows that the chord stress of the main arch ring and the internal force of the arch rib cross-beam 21 are all not significantly increased, although the shock absorption rate can reach about 20% under a strong earthquake. This is because the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device 1 can sufficiently dissipate seismic energy, effectively reduce the displacement of the main beams 3 of the bridge, and play the role of displacement limitation, which is suitable for large-span railway bridges. It perfectly shows that it has good adaptability.

上記は、本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明を限定することを意図するものではない。本発明の精神および原理の範囲内で行われるいかなる修正、同等の置換および改善も、本発明の保護範囲に含まれるものとする。 The above are only preferred embodiments of the present invention and are not intended to limit the present invention. Any modification, equivalent replacement and improvement made within the spirit and principle of the present invention shall fall within the protection scope of the present invention.

図中マーク：１－変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置、１１－移行部、１２－等強度部、２－アーチリブ、２１－アーチリブ横梁、３主梁。




Marks in the figure: 1--displacement limiting/shock-absorbing and energy-consuming device, 11--transitional section, 12--equal strength section, 2--arch rib, 21--arch rib transverse beam, 3 main beam.

Claims (8)

橋梁の実際のニーズに応じて、橋梁の構造の変形と応力の制御目標を決定するステップと、
変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の構造形状パラメータと弾性機械的性質パラメータを計算するステップと、
前記構造形状パラメータと前記弾性機械的性質パラメータに従って、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の力と変位の関係を計算するステップと
において、
橋梁の実際の空間分布に応じて、予備計算により、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の数と各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の全高Ｈおよび移行部（１１）の長さＨ１を決定し、同時に、各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の弾性剛性ｋｅを計算するステップ２と、
前記移行部（１１）と等強度部（１２）の接合断面直径ｄｏを計算するステップ３と、
ここで、ｋ ｅ 及びｄ ｏ は次式
Figure 0007250168000020
なお、式中のEは弾性係数
によって求められ、
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）が耐えることができる極限弾性水平力Ｆｅと極限弾性変位ｗｅ、各断面の直径の変化関数ｄ（ｘ）を計算するステップ４と、
ここで、ｄ（ｘ）は次式
Figure 0007250168000021
によって求められ、
鋼材料の降伏応力がσ ｓ であり、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置が耐えることができる極限弾性水平力がＦ ｅ であるとしたときに、Ｆ ｅ を次式
Figure 0007250168000022
によって求めるステップと、
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の極限弾性変位ｗ ｅ を、次式
Figure 0007250168000023
によって求めるステップと、
「極限弾性水平力Ｆｅ」及び「極限弾性変位ｗｅ」より、「変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）」の弾塑性状態における弾塑性変位を計算し、それによって「前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の力と変位の関係を計算するステップと、
前記力と変位の関係を橋全体のモデルにシミュレートして、前記橋梁の構造の変形が前記制御目標を満たしているかどうか、および橋梁の構造の応力が橋梁の設計仕様の要件を満たしているかどうかをテスト計算するステップと、
前記テスト結果に応じて、前記橋梁構造の変形が前記制御目標を満たし、橋梁構造物の応力が橋梁設計仕様の要件を満たすまで、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の構造形状パラメータと弾性機械的性質パラメータを調整するステップと、を含むことを特徴とする鉄道橋梁用弾塑性金属の変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置の設計方法。 determining the deformation and stress control targets of the structure of the bridge according to the actual needs of the bridge;
calculating structural shape parameters and elastic-mechanical property parameters of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1);
calculating the force-displacement relationship of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) according to said structural geometry parameters and said elastic mechanical property parameters;
in
Depending on the actual spatial distribution of the bridge, the number of said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming devices (1) and the total height H and transitions of each said displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device (1) are determined by preliminary calculations. Step 2 of determining the length H 1 of (11) and at the same time calculating the elastic stiffness k e of each said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1);
step 3 of calculating the joint cross-sectional diameter do of said transition section (11) and iso-strength section (12);
where k e and do are
Figure 0007250168000020
Note that E in the formula is the modulus of elasticity
sought by
step 4 of calculating the ultimate elastic horizontal force F e and the ultimate elastic displacement w e that the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) can withstand, the change function d(x) of the diameter of each cross section;
where d(x) is
Figure 0007250168000021
sought by
Assuming that the yield stress of the steel material is σ s and the ultimate elastic horizontal force that the displacement-limiting, impact-absorbing and energy-consuming device can withstand is Fe , Fe is given by the following equation :
Figure 0007250168000022
a step determined by
The ultimate elastic displacement we of the displacement-limiting/shock-absorbing and energy-consuming device is given by the following equation:
Figure 0007250168000023
a step determined by
From the "ultimate elastic horizontal force Fe" and the "ultimate elastic displacement we", the elastic-plastic displacement in the elastic-plastic state of the "displacement limiting/impact absorption and energy consumption device (1)" is calculated, thereby "the displacement limiting/impact calculating the force-displacement relationship of the absorbing and energy-consuming device (1);
Simulating the force-displacement relationship into a model of the entire bridge to determine whether the structural deformation of the bridge satisfies the control objectives and whether the structural stress of the bridge satisfies the requirements of the bridge design specifications. a step of testing whether
Structural shape of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) until the deformation of the bridge structure meets the control target and the stress of the bridge structure meets the requirements of bridge design specifications according to the test results. and adjusting parameters and elastic-mechanical property parameters. 前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）を高さ方向にｎセグメントに均等に分割し、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の上部に水平力Ｆが加えられたとき、ｉ番目のセグメント断面の降伏曲げモーメントＭｙｉと実際の曲げモーメントＭｉを計算するステップ５であって、ｉ＝１、２、３．．．ｎであることと、
ｉ番目のセグメント断面の降伏曲げモーメントＭｙｉがその実際の曲げモーメントＭｉ以上の場合、断面のエッジの弾性ひずみεｉを計算して、ｉ番目のセグメント断面の断面曲率φiを取得し、ｉ番目のセグメント断面の降伏曲げモーメントＭｙｉがその実際の曲げモーメントＭｉより小さい場合、応力プラットフォームの高さＡを計算し、断面弾塑性ひずみεｉを計算して、ｉ番目のセグメント断面曲率φiを取得するステップ６と、
すべてのセグメント断面曲率φiを使用して、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の上端の弾塑性変位ｗを計算し、それによって前記力と変位の関係を取得するステップ７と、
前記力と変位の関係を橋全体のモデルにシミュレートして、前記橋梁の構造の変形が前記制御目標を満たしているかどうか、および橋梁の構造の応力が橋梁の設計仕様の要件を満たしているかどうかをテスト計算するステップ８と、
前記テスト結果に応じて、前記橋梁構造の変形が前記制御目標を満たし、橋梁構造の応力が橋梁設計仕様の要件を満たすまで、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の構造形状パラメータと弾性機械的性質パラメータを調整するステップ９と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の設計方法。 When the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device (1) is equally divided into n segments in the height direction, and a horizontal force F is applied to the top of the displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device (1) , step 5 of calculating the yield bending moment M yi and the actual bending moment M i of the i-th segment cross-section, i=1, 2, 3 . . . being n;
if the yield bending moment M yi of the i th segment cross-section is greater than or equal to its actual bending moment M i , calculate the elastic strain ε i of the edge of the cross-section to obtain the cross-sectional curvature φ i of the i th segment cross-section; If the yield bending moment M yi of the i-th segment cross-section is less than its actual bending moment M i , calculate the height A of the stress platform, calculate the cross-sectional elastic-plastic strain ε i , and the i-th segment cross-sectional curvature step 6 of obtaining φ i ;
Step 7 of calculating the elastoplastic displacement w of the upper end of said displacement limiting, impact absorbing and energy consuming device (1) using all segment cross-sectional curvatures φi , thereby obtaining said force-displacement relationship; ,
Simulating the force-displacement relationship into a model of the entire bridge to determine whether the structural deformation of the bridge satisfies the control objectives and whether the structural stress of the bridge satisfies the requirements of the bridge design specifications. step 8 of testing whether
Structural shape parameters of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) until the deformation of the bridge structure meets the control objective and the stress of the bridge structure meets the requirements of bridge design specifications according to the test results. and a step 9 of adjusting elastic-mechanical property parameters. 前記ステップ７の前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の上端の弾塑性変位ｗは、次の式で決定されることを特徴とする請求項２に記載の設計方法。
Figure 0007250168000024
なお、式中のt及びnは、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置を、高さ方向にｎ個の小さなセグメントに分割した時の単一のセグメントの長さｔを示す。
The design method according to claim 2 , characterized in that the elasto-plastic displacement w of the upper end of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) in step 7 is determined by the following formula:
Figure 0007250168000024
Note that t and n in the formula represent the length t of a single segment when the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device is divided into n small segments in the height direction.
橋梁の実際ニーズに応じて、橋梁の構造の変形又は応力の制御目標を決定するステップ１と、
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の構造形状パラメータと弾性機械的性質パラメータを計算するステップ２と、
前記構造形状パラメータと前記弾性機械的性質パラメータに従って、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の力と変位関係を計算するステップ３と、
前記力と変位の関係を橋全体のモデルにシミュレートして、前記橋梁構造の変形が、さまざまな通常の動作荷重条件下での前記制御目標を満たしているかどうかをテストおよび計算し、
前記橋梁構造の変形の計算値が、列車荷重の作用下での前記橋梁構造の変形の制限値を満たさない場合、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の初期弾性剛性ｋｅの値を増加させ、前記ステップ２～３を繰り返し、前記橋梁構造の変形が前記制御目標を満たしているかどうか、を再テストして計算し、
前記橋梁構造の変形の計算値が、列車荷重の作用下での前記橋梁構造の変形の制限値を満たす場合、次のステップを行うステップ４と、
前記橋梁構造応力が橋梁設計仕様の要件を満たしているかどうかをテスト計算し、つまり、さまざまな通常の動作荷重条件下で、橋梁構造の内力と変形が標準的な応力の要件を満たしているかどうかを計算し、
そうでない場合は、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の初期弾性剛性ｋｅの値を下げ、前記ステップ２～４を繰り返し、前記橋梁構造の変形が前記制御目標を満たしているかどうか、および橋梁構造の内力と変形が標準的な応力要件を満たしているかどうかを再テストして計算し、
そうである場合は、次のステップに進むステップ５と、
死荷重および地震荷重の条件下で前記橋梁構造の変形が前記制御目標を満たしているかどうか、および前記橋梁構造の応力が橋梁設計仕様の要件を満たしているかどうかをテストおよび計算するステップ６であって、
前記橋梁構造の変形は、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の地震変形が橋梁支承の許容地震変形よりも小さく、且つ前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の極限変形が、前記橋梁支承の許容地震変形と橋梁の実際の地震需要変形２つのうちの最大値よりも大きいことを満たす必要であり、
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の極限変形が、前記橋梁支承の許容地震変形と実際の地震需要変形との２つのうちの最大値以下である場合、各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の初期弾性剛性ｋｅの値を減らし、同時に前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の数を増やして、全体的な弾性剛性が以前と同じであることを保証し、
前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の極限変形が要件を満たしているが、前記橋梁の構造応力が橋梁の設計仕様の要件を満たしていない場合、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の全体弾性剛性を高めることと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の設計方法。 Step 1 of determining the deformation or stress control target of the bridge structure according to the actual needs of the bridge;
Step 2 of calculating structural shape parameters and elastic-mechanical property parameters of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1);
step 3 of calculating the force-displacement relationship of said displacement-limiting, shock-absorbing and energy-consuming device (1) according to said structural geometry parameter and said elastic-mechanical property parameter;
simulating the force-displacement relationship into a model of the entire bridge to test and calculate whether the deformation of the bridge structure meets the control objectives under various normal operating load conditions;
If the calculated value of deformation of said bridge structure does not satisfy the limit value of deformation of said bridge structure under the action of train load, the initial elastic stiffness ke of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) increasing the value, repeating steps 2-3, retesting and calculating whether the deformation of the bridge structure meets the control objective;
Step 4, if the calculated deformation of the bridge structure satisfies the limit of deformation of the bridge structure under train load, performing the following steps;
Test calculation whether the said bridge structural stress meets the requirements of bridge design specifications, i.e. whether the internal force and deformation of the bridge structure meet the standard stress requirements under various normal operating load conditions to calculate
If not, decrease the value of the initial elastic stiffness ke of the displacement limiting/shock absorbing and energy consuming device (1), repeat the steps 2 to 4, and check whether the deformation of the bridge structure satisfies the control target. retest and calculate whether and whether the internal forces and deformations of the bridge structure meet the standard stress requirements,
if so, step 5 proceeding to the next step;
step 6 of testing and calculating whether the deformation of the bridge structure under dead load and seismic load conditions meets the control objectives and whether the stress of the bridge structure meets the requirements of bridge design specifications; hand,
The deformation of the bridge structure is such that the seismic deformation of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) is smaller than the allowable seismic deformation of the bridge bearing and the limit of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1). the deformation must be greater than the maximum of the allowable seismic deformation of the bridge bearing and the actual seismic demand deformation of the bridge;
If the ultimate deformation of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) is equal to or less than the maximum of two of the allowable seismic deformation of said bridge bearing and the actual seismic demand deformation, each of said displacement limiting and impact Decrease the value of the initial elastic stiffness ke of the absorbing and energy consuming devices (1), and at the same time increase the number of said displacement limiting/shock absorbing and energy consuming devices (1) so that the overall elastic stiffness is the same as before. guarantee that
If the ultimate deformation of said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) meets the requirements but the structural stress of said bridge does not meet the requirements of the bridge design specifications, said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) 2. A design method according to claim 1, comprising increasing the overall elastic stiffness of the consuming device (1). 前記ステップ４では、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の数を増やすか、又は前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の断面サイズを大きくすることによって、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の初期弾性剛性ｋｅの値を増加させることを特徴とする請求項４に記載の設計方法。 In step 4, the displacement limiting, impact absorbing and energy consuming device (1) is increased in number or the cross-sectional size of the displacement limiting, impact absorbing and energy consuming device (1) is increased. - Design method according to claim 4, characterized by increasing the value of the initial elastic stiffness ke of the shock-absorbing and energy-consuming device (1). 前記ステップ５では、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の数を減らすか、または前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の断面サイズを小さくすることによって、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の初期弾性剛性ｋｅの値を減少させることを特徴とする請求項４に記載の設計方法。 In step 5, the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) is reduced in number or the cross-sectional size of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) is reduced. - Design method according to claim 4, characterized in that the value of the initial elastic stiffness ke of the shock-absorbing and energy-consuming device (1) is reduced. 前記ステップ６において、各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の高さを増加させるか、または各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の断面サイズを減少させることにより、各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の初期弾性剛性ｋｅの値を減少させることを特徴とする請求項４に記載の設計方法。 In step 6, by increasing the height of each displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) or decreasing the cross-sectional size of each said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1) 5. The design method according to claim 4, characterized by reducing the value of the initial elastic stiffness ke of each said displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1). 前記ステップ６では、前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の数を増やすか、又は各前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の初期弾性剛性と降伏剛性を増やすことによって前記変位制限・衝撃吸収及びエネルギー消費装置（１）の全体的な弾性剛性を増やすことを特徴とする請求項４～７のいずれか一項に記載の設計方法。
In said step 6, by increasing the number of said displacement limiting, impact absorbing and energy consuming devices (1) or increasing the initial elastic stiffness and yield stiffness of each said displacement limiting, impact absorbing and energy consuming device (1) A design method according to any one of claims 4 to 7, characterized by increasing the overall elastic stiffness of the displacement limiting, shock absorbing and energy consuming device (1).
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