《交通運輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２1）—第一部分橋梁工程篇《鐵路橋梁減震榫與榫形防落梁裝置研發(fā)與應(yīng)用》

本期項目簡介

完成單位：中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司、西安鐵路集團(tuán)有限公司

主要完成人：周友權(quán)、馮亞成、吳延偉、李俠、郝云杉、雷曉峰、李承根、陳應(yīng)陶、康煒、楊少軍、魯兵艦、李帥、李偉龍、王沖沖、靳瑋

項目簡介

（一）項目背景

      為了滿足列車運行的安全性和舒適性指標(biāo)，鐵路橋梁設(shè)計時十分重視提高結(jié)構(gòu)的剛度。但是從結(jié)構(gòu)抗震的角度來看，剛度越大，結(jié)構(gòu)相應(yīng)的地震反應(yīng)就越大，尤其是高地震烈度區(qū)的低矮橋墩，抗震往往成為控制橋梁設(shè)計和工程投資的主要因素。結(jié)合大量的研究和實踐，要解決這一矛盾，應(yīng)該引入減隔震設(shè)計思路。眾多鐵路設(shè)計干線中，橋梁所占線路的比例越來越高，而且其中絕大部分都是簡支梁橋。鐵路橋梁的減隔震設(shè)計，應(yīng)重點研究解決簡支梁橋所存在的問題。結(jié)合中國鐵路的特點，通過自主創(chuàng)新，研究和開發(fā)了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)，適合中國的國情、路情，在鐵路常規(guī)簡支梁上，可以大規(guī)模應(yīng)用的新型減隔震產(chǎn)品——減震榫與榫形防落梁裝置。

（二）技術(shù)概況

1. 減震榫

      減震榫采用了“支座功能分離”的設(shè)計理念。將簡支梁橋的固定支座改為活動支座，在正常使用狀態(tài)下，梁體傳來的豎向反力及梁端的轉(zhuǎn)角仍由支座實現(xiàn)，但梁體的水平反力及水平位移則由減震榫支撐和控制。地震發(fā)生后，梁體地震水平力將通過減震榫傳至橋墩。通過對減震榫構(gòu)造的精細(xì)化設(shè)計，在正常運營下滿足列車對橋梁剛度的使用要求，在強震下有足夠的延性以達(dá)到減小地震力的目的。利用減震榫的塑性變形能力實現(xiàn)橋梁減震目的，建立了以材料應(yīng)力、應(yīng)變性能與抗震設(shè)防目標(biāo)匹配的設(shè)計準(zhǔn)則。

2.榫形防落梁

      榫形防落梁設(shè)置于墩頂與梁底之間，裝置在縱橋向與橫橋向均預(yù)留一定的間隙，固定支座與活動支座均采用相同的裝置。其構(gòu)造與作用機(jī)理可簡述為：在梁體與墩頂對應(yīng)位置預(yù)埋鋼筒，鋼筒內(nèi)插入一根實心鋼榫，鋼榫直徑小于鋼筒內(nèi)徑，當(dāng)梁體與墩身發(fā)生超出預(yù)定的水平相對位移時，鋼榫的上下端與鋼筒內(nèi)壁接觸，開始受力產(chǎn)生彈性變形，繼而發(fā)生塑性變形，實現(xiàn)有緩沖效應(yīng)的減隔震與限位效果。

（三）適用范圍

      減震榫與榫形防落梁裝置，主要適用范圍為鐵路常用跨度簡支梁與小跨連續(xù)梁，對于在鐵路大跨橋梁結(jié)構(gòu)以及公路橋梁上的應(yīng)用還需要進(jìn)一步研發(fā)探索。

（四）獲獎情況

      獲鐵道學(xué)會科技進(jìn)步二等獎1項、中國鐵建優(yōu)秀設(shè)計一等獎1項、中國鐵建科技二等獎1項，減隔震相關(guān)技術(shù)科研成果分別入選2018、2020、2021年國家鐵路局重大科技創(chuàng)新成果。

項目創(chuàng)新點

1. 研發(fā)了一種適用于鐵路橋梁的新型減震榫及榫形防落梁裝置，為國內(nèi)外首創(chuàng)裝置的構(gòu)造與安裝為國內(nèi)外首創(chuàng)，獲2項發(fā)明專利、5項實用新型專利。

2. 研發(fā)了一種適用于減震榫及榫形防落梁的新型抗震用低碳合金鋼

（1）研究得到了裝置抗震用合金鋼的化學(xué)元素成分及所需的力學(xué)性能

（2）通過低周疲勞性能試驗驗證了材料與構(gòu)造的可靠性

3. 通過理論研究與試驗驗證，提出了裝置合理的構(gòu)造形式

（1）從力學(xué)基本原理入手研發(fā)得到了裝置榫體合理的截面形式

（2）理論研究得到了使裝置能提供最大塑性變形的最佳構(gòu)造形式

（3）試驗研究得到裝置錨固件與混凝土的合理連接構(gòu)造

4. 理論與試驗研究相結(jié)合，得到了裝置的力學(xué)特征

（1）研究得到了裝置彈性與塑性狀態(tài)下應(yīng)力與變形的關(guān)系

（2）研究得到了裝置彈塑性狀態(tài)過程中的變形與阻尼力及阻尼比的關(guān)系

（3）試驗研究得到了裝置的實際滯回性能

5. 提出了減震榫與榫形防落梁裝置用于抗震分析的計算方法，并開發(fā)了相應(yīng)計算軟件

（1）提出了榫形防落梁裝置用于非線性有限元計算分析的恢復(fù)力模型

（2）提出了裝置用于簡支梁橋抗震分析的簡化算法

（3）開發(fā)了裝置用于簡支梁橋抗震分析的軟件

6. 制定了減震榫與榫形防落梁裝置的選型設(shè)計方法，有利于產(chǎn)品的應(yīng)用推廣

（1）綜合理論與試驗研究成果給出了裝置抗震分析用的力學(xué)參數(shù)

（2）給出了便于設(shè)計時采用的裝置型號及選型設(shè)計的方法與流程

7. 編制了國鐵集團(tuán)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為裝置在鐵路橋梁大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了強有力的標(biāo)準(zhǔn)支撐

應(yīng)用案例

      鄭西客專咸陽特大橋，采用的是單懸臂減震榫，應(yīng)用范圍為2孔32米簡支箱梁。蘭新第二雙線，南山路立交特大橋，全橋130余孔32米簡支梁，均安裝了單懸臂減震榫。寶蘭客專三陽川渭河2號特大橋，采用的是分離式減震榫，應(yīng)用范圍為2孔48米簡支箱梁。吳忠至中衛(wèi)鐵路，全線簡支梁均安裝了分離式榫形防落梁，全線共計2184個橋墩使用8736套裝置，本線全線不再另設(shè)普通防落梁，抗震設(shè)計上節(jié)省投資2100萬左右。魯南高速鐵路臨沂-曲阜段，全線簡支箱梁和連續(xù)梁均采用了榫形防落梁裝置；大同-原平高速鐵路、中蘭高速鐵路、包頭至銀川高速鐵路、蘭州至張掖高速鐵路、合新高速鐵路、渝昆高速鐵路，全線簡支箱梁均采用榫形防落梁裝置。

社會效益與經(jīng)濟(jì)效益

      裝置針對鐵路簡支梁而研發(fā)，減隔震效果好、成本低廉，可以較小的經(jīng)濟(jì)代價，將鐵路簡支梁橋的抗震設(shè)防等級，由規(guī)范規(guī)定的多遇地震提升至罕遇地震，確保國民經(jīng)濟(jì)命脈在地震作用下的安全暢通，具有良好的社會效益。研發(fā)成果為國鐵集團(tuán)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路橋梁減震榫及榫形防落梁裝置》的編制提供了極為重要的技術(shù)支撐，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布對于推廣裝置在鐵路橋梁上的應(yīng)用、有效降低地震危害，意義重大。

      在吳忠至中衛(wèi)鐵路上，全線簡支箱梁均采用了榫形防落梁裝置，抗震設(shè)計上節(jié)約了投資約2100萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。目前減震榫與榫形防落梁產(chǎn)品，已授權(quán)多個廠家進(jìn)行生產(chǎn)，通過在高烈度地區(qū)鐵路簡支梁橋上的應(yīng)用推廣，裝置年產(chǎn)值達(dá)到近2億元的規(guī)模，取得了良好的科技成果轉(zhuǎn)化效果。