探究鐵路橋梁減震卡榫的設計與應用性能

摘 要：本文針對鐵路橋梁在地震中的安全問題，提出了一個創新的減震卡榫設計與應用方案。該方案結合了摩擦擺式支座和減震卡榫，旨在限制橋梁在地震下的位移，防止梁體碰撞和落梁，同時提高下部結構的受力能力。通過模擬和實橋應用檢算，該組合隔震支座系統展示了其在地震響應控制上的優勢。研究結果表明，這種新型支座系統不僅能有效限制中小地震下的位移，還能在大地震中提供額外的保護，防止嚴重震害。此外，該系統的設計原理和構造形式使其易于安裝、檢查和維護，有助于降低長期維護成本。

關鍵詞：鐵路橋梁 減震卡榫 橋梁性能

1 鐵路橋梁及其抗震問題

中國的鐵路橋梁技術在早期發展階段便凸顯出顯著優勢，相較于公路橋梁技術，其領先地位尤為顯著。這一成就的取得，與鐵路的卓越運載能力和高效運輸效率密不可分。因此，我國自早期階段起便對鐵路橋梁的設計與制造給予高度重視，將其視為關鍵性課題進行深入探索。

早在上世紀70年代，我國鐵路部門便積極引進并應用先進的滑動模板技術，成功建造了19座高度超過60米的空心墩。這些空心墩結構穩固，截面多呈圓形，有效提升了橋梁的承載能力與穩定性。該技術的成功應用，為我國鐵路橋梁的后續發展奠定了堅實基礎。

隨著我國西部鐵路建設的迅速推進，高墩設計在鐵路橋梁中逐漸普及。然而，隨著高墩設計的廣泛應用，鐵路橋梁抗震性能不足的問題逐漸顯現。在地震等自然災害面前，這些橋梁的脆弱性凸顯，對人民群眾的生命財產安全構成嚴重威脅。

一般來說，鐵路橋梁往往架設在山地、丘陵、峽谷、海域等復雜環境之下，在這些區域自然環境多變且地質結構相對不穩定，無論是大風、降雨還是地殼運動都有可能導致橋梁發生劇烈的震動，造成內部鋼結構的疲勞使得行車安全與橋梁壽命顯著降低。由于高墩的柔韌性和阻尼較小，設計時主要以剛度為主導，通常采用鋼筋混凝土空心墩，截面形狀以圓形空心厚壁為主，立面形狀以斜坡式為主。此外，研究人員受到高層建筑設計的啟發，提出了一種格構式橋墩，墩臺以上的部分由四根墩柱構成，各柱之間通過減震系梁連接，在大震作用下，通過減震系梁的塑性變形進行能量耗散。

2 鐵路橋梁減震的重要性

2.1 確保運輸安全

鐵路橋梁在地震中可能會遭受損壞，這會直接影響到鐵路運輸的安全與效率。經過良好抗震設計的橋梁能夠在地震發生后仍保持結構完整，從而減少因橋梁損壞導致的運輸中斷，確保人員和物資能夠安全、及時地運輸到需要的地方。舉例來說，2011年日本東北地震中，由于地震引發的高架鐵路橋梁振動幅度過大，導致多列列車脫軌，嚴重影響了鐵路運輸的安全與效率。事故發生后，救援隊伍需要花費大量時間清理現場，修復受損橋梁，才能恢復鐵路運輸秩序。此次事故不僅對人員安全和財產造成損失，還給當地經濟和社會帶來嚴重影響。而如果該鐵路橋梁進行了良好的抗震設計，即使在大地震中，橋梁的振動幅度得到有效控制，列車行駛過程中的安全風險也會大大降低，從而確保鐵路運輸的安全與效率。這起事故凸顯了鐵路橋梁抗震設計在保障運輸安全方面的重要性。

2.2 提升鐵路使用壽命

鐵路橋梁作為承受鐵路運輸荷載的重要設施，其穩定性直接關系到列車的安全運行和乘客的生命安全。然而，在列車不斷地行駛過橋時，車輪與軌道的相互作用會產生一系列的振動，這些振動會傳遞到橋梁結構中，引起橋梁的振動。這種持續的振動就像微小的錘擊，會不斷地對橋梁的構件施加應力，尤其是對那些焊接點、連接處等弱點，長期的應力循環會導致橋梁出現疲勞損傷。這種損傷最初可能只是微小的裂紋，但隨著時間的推移，這些裂紋會逐漸擴展，最終可能導致橋梁的結構性損傷，如截面損失、脆性斷裂等，嚴重時甚至會引起橋梁的崩塌，造成不可挽回的損失。為了防止這種情況的發生，減震設計就顯得尤為重要。減震設計的主要目標是減少橋梁受到的振動，從而降低橋梁的疲勞損傷，延長橋梁的使用壽命。

2.3 降低維護成本

鐵路橋梁減震設計的目的不僅是提高橋梁的安全性和可靠性，還包括降低鐵路的維護成本。具體來說，減震設計能夠顯著減少橋梁因疲勞損傷而需要維修的頻率和程度。通過減少振動和應力集中，橋梁的關鍵部位如焊縫、連接器和梁肋等受到的疲勞應力降低，從而延長了橋梁的實際使用壽命。這意味著在橋梁的整個生命周期內，需要進行的維修和更換次數減少，從而節省了維護成本。且有助于防止由于共振或其他振動問題導致的突發性結構損傷。這種預防性的措施減少了緊急維修的需要，避免了由于結構突然失效而造成的昂貴維修成本。

3 鐵路橋梁減震技術的機理及分析

阻尼器作為鐵路橋梁減震技術體系中的核心元件，在橋梁建設領域中具有舉足輕重的地位。其工作原理在于，當橋梁遭遇振動時，阻尼器能夠迅速產生相應的阻力，有效耗散地震輸入的能量，進而顯著降低橋梁的振動幅度，從而確保橋梁結構的穩定與安全。

阻尼器種類繁多，各具獨特優勢。摩擦阻尼器通過利用摩擦力機制耗散能量，在橋梁減震中展現出顯著成效。橡膠阻尼器則憑借其出色的彈性性能，將地震能量轉化為彈性勢能進行耗散。而金屬阻尼器則通過金屬間的摩擦作用，將地震能量轉化為熱能，進而實現減震效果。

隔震層是橋梁減震技術體系中的另一重要組成部分，其核心思想在于通過隔離橋梁與地震波的接觸來減輕地震對橋梁的影響。隔震層通常由橡膠隔震支座或鉛芯隔震支座等優質材料構成。橡膠隔震支座憑借其良好的彈性和摩擦性能，在耗散地震能量方面表現優異。鉛芯隔震支座則在橡膠支座的基礎上融入鉛芯元素，通過鉛芯的塑性變形和摩擦作用，進一步增強隔震效果。

減震支座作為一種特殊的橋梁支座類型，在地震發生時能夠提供可控的位移和恢復力，從而有效減少橋梁的振動。這種支座通常采用金屬橡膠復合材料制造而成，既具備金屬的剛性與強度，又擁有橡膠的彈性與阻尼性能。在振動過程中，減震支座能夠產生較大的阻尼和彈性，有效耗散地震能量，保護橋梁結構免受損害。

動態纜索技術作為一種新型的減震技術，特別適用于懸索橋和斜拉橋等柔性結構。通過在纜索中引入特殊的阻尼材料或振動吸收器，動態纜索能夠顯著降低地震引起的振動幅度，從而提高橋梁的抗震性能。該技術不僅具有創新性和實用性，還將在未來的橋梁建設中展現出廣闊的應用前景。

控制桿和摩擦擺是另一種通過調整橋梁自振頻率和阻尼比來減少地震響應的減震技術。控制桿通過改變橋梁的剛度，進而調整其自振頻率，使橋梁在地震中能夠更好地適應地震波的振動特性。摩擦擺則能在振動過程中產生摩擦力，耗散地震能量，從而降低橋梁的振動幅度。這兩種技術的結合使用，將進一步提升橋梁的抗震性能，確保其在地震中的安全與穩定。

4 減震卡榫的設計與應用

4.1 設計原理

橋梁的減隔震支座是抗震體系中的關鍵耗能部件，同時也是最易遭受損壞的部分。當上部結構傳遞的慣性力超出支座的承載極限時，支座的錨固螺栓可能被拉出或剪斷，導致支座脫落或損壞，進而可能導致梁體碰撞等嚴重后果。單純依賴支座的位移來消耗能量可能會引起嚴重的地震損害，如梁體脫落，同時地震力可能無法有效地傳遞到下部結構，造成下部結構的材料浪費。通過適當地配置減震和隔離系統，可以減少地震作用力，并使這些力在建筑的基礎結構中更加平均地分布，從而提升整體結構的抗災能力。摩擦擺支座作為一款應用廣泛的減震產品，以其輕巧的體積、較高的阻尼比以及在保持傳統支座功能的同時提供隔震效果而受到好評。盡管如此，在鐵路橋梁的運用中，摩擦擺支座的隔震性能仍存在一定的應用限制。本研究提出了一種新型的復合隔震支座，它將減震卡榫和摩擦擺式支座相結合，旨在中小地震中限制橋梁的縱向位移，在大地震時防止梁體墜落和碰撞。這種支座可以同時承載橋梁的垂直負荷和滿足其旋轉功能。減震卡榫設計用于在結構溫度變化時調整自身，以適應變形，而在橋梁正常運行期間保持不工作狀態。在地震發生時，它能夠耗能減震，并防止梁體脫落。

4.2 構造形式

減震卡榫裝置（見下圖1）作為橋梁結構的關鍵組件，在橋梁的安全保障與抗震性能提升方面發揮著至關重要的作用。在面臨常規沖擊荷載及地震作用時，該裝置可有效控制橋梁在橫向、豎向及縱向的位移，進而確保橋梁結構的穩固與安全。在極端地震環境下，減震卡榫裝置具備屈服并消耗能量的特性，有效減輕地震對橋梁結構的破壞程度。同時，在不增加橋墩下部結構損傷風險的前提下，該裝置能有效增強下部結構的承力能力，進而提升橋梁的整體抗震性能。

在中小地震發生時，減震卡榫裝置展現出顯著的保護限位作用，有效限制橋梁在地震中的位移幅度，從而保障橋梁結構的穩定。此外，該裝置還能有效確保摩擦擺支座的隔震效果，進一步強化橋梁的抗震能力。

為確保減震卡榫裝置在地震中的耗能效果，設計者在材料選擇與加工工藝方面進行了深入研究。在材料方面，選用了具備高延性的軟鋼材料，該材料因具備良好的塑性與韌性，能在變形過程中有效耗散地震或其他沖擊荷載的能量。在加工工藝方面，軟鋼材料經過精細的鍛造、熱處理及數控加工，確保了裝置的精度與可靠性。

減震卡榫裝置的耗能能力主要源于其塑性鉸的變形。在地震作用下，塑性鉸發生屈服并產生塑性變形，從而吸收地震能量。這種變形過程具有反復性，塑性鉸的地震循環次數可高達數十次，確保了裝置在長時間地震作用下的穩定與可靠。此外，該裝置兼具水平與豎向的減震耗能效果，能有效減小地震對橋梁結構的影響。

除耗能能力外，減震卡榫裝置還具備防止落梁的功能。在極端地震情況下，當橋梁結構受到過大的地震作用時，該裝置能通過屈服與變形來限制橋梁的位移，從而避免橋梁發生落梁現象，這一功能有助于維護橋梁結構的完整性與安全性，降低對人民群眾生命財產的損失風險。

此外，減震卡榫裝置的安裝過程簡便快捷，便于施工人員進行操作。同時，該裝置還易于檢查、維修與更換，確保了橋梁結構的長期穩定與安全。在橋梁維護過程中，工作人員可定期對減震卡榫裝置進行檢查，及時發現并處理潛在的安全隱患，確保橋梁的正常運行。

4.3 實橋應用檢算

為了模擬鐵路橋梁在地震作用下的響應，本研究選取了一個典型的鐵路橋梁作為模型，并使用UC-win/FRAME（3D）軟件進行三維框架結構的非線性動靜力分析。該軟件能夠模擬橋墩的非線性特性，通過纖維單元模型來實現。在纖維單元中，結構構件被劃分為多個單元，每個單元的特性由其橫斷面代表，橫斷面進一步被分割成纖維束，這些纖維束可以具有不同的應力應變關系。

計算過程中，纖維可以根據其應力應變關系和損傷準則來輸出損傷指標和損傷等級。鋼筋的損傷等級分為四個等級：壓縮屈服、拉伸屈服、容許拉伸和斷裂。混凝土的損傷等級從低到高為：裂縫、輕微、終極I、終極II和破壞。

本研究建立了兩種簡支梁橋模型：一種采用普通摩擦擺支座，另一種采用組合隔震支座。計算分析使用了1999年9月21日臺灣省南投縣集集鎮地震的20條典型加速度記錄進行對比。間隙金屬阻尼器的骨架曲線如圖2所示。通過這些計算和分析，可以評估組合隔震支座在實際地震情況下的性能和效果。

結果顯示，減震卡榫裝置能夠提供橫向、縱向和豎向的剛度，形成一個三級減震耗能系統，并具備限位功能，能夠在中小地震中有效限制主梁的位移；與摩擦擺式支座結合形成的減震支座體系，能夠有效提升整體的耗能能力，保護橋梁上部結構免受碰撞和落梁等嚴重震害；組合減震支座體系相較于傳統的摩擦擺支座，同樣適用于近斷層地震區域的鐵路橋梁。

5 結語

本文提出了一種創新的減震卡榫設計與應用方案，該方案與摩擦擺式支座相結合，旨在增強鐵路橋梁在橫向、縱向和豎向的剛度表現，從而構建一個高效的三級減震耗能系統，并兼具限位功能。經過深入研究，結果表明，這種組合減震支座系統能夠顯著限制中小地震作用下的位移響應，有效保護橋梁上部結構免受碰撞和落梁等嚴重震害，特別適用于近斷層地震區的鐵路橋梁。該系統的設計原理和構造形式經過精心優化，確保了其在安裝、檢查和維護過程中的便捷性，有助于降低長期維護成本，提高鐵路橋梁的抗震性能和使用壽命。展望未來，隨著鐵路工程技術的不斷發展，我們將進一步探討軌道約束對鐵路減隔震性能的影響，以及鋼軌彎曲變形和軌道抗震性的研究。通過深入剖析這些關鍵因素，旨在不斷提升鐵路橋梁的抗震能力和安全性，為鐵路交通的平穩運行提供堅實保障。

基金項目：廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于拉索減震支座技術的鐵路連續梁橋抗震性能研究”（編號2023KY1440）。

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