铁路桥梁弹塑性金属限位减震耗能装置设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种铁路桥梁弹塑性金属限位减震耗能装置设计方法，包括根据桥梁实际需求确定桥梁结构变形和受力的控制目标的步骤；包括计算限位减震耗能装置的结构形状参数和弹性力学性能参数的步骤；包括根据结构形状参数和弹性力学性能参数计算限位减震耗能装置的力‑位移关系的步骤；包括将力‑位移关系模拟到全桥模型中，检验计算桥梁结构变形是否满足控制目标、桥梁结构受力是否满足桥梁设计规范要求的步骤；包括根据检验结果，调整限位减震耗能装置的结构形状参数和弹性力学性能参数，直到桥梁结构变形满足控制目标、桥梁结构受力满足桥梁设计规范要求的步骤。该设计方法算法计算精度高、速度快，适应工程实际应用的要求。

Design Method of Elasto-plastic Metal Limited Energy Dissipation Device for Railway Bridges

【技术实现步骤摘要】
铁路桥梁弹塑性金属限位减震耗能装置设计方法
本专利技术涉及桥梁减震领域，特别涉及一种铁路桥梁弹塑性金属限位减震耗能装置设计方法。
技术介绍
现有大跨度桥梁(跨度大于或者等于100m)通常采用粘滞阻尼器对桥梁进行减震耗能，但粘滞阻尼器造价非常昂贵，并且随着粘滞阻尼器使用年限的增长，其内部油缸往往还要泄漏，需要定期保养更换，一旦粘滞阻尼器油缸内油量减少或者没有，将导致粘滞阻尼器不能起到抗震耗能作用，更换阻尼器的间接费用也非常昂贵；金属阻尼器造价相对粘滞阻尼器造价便宜得多，但金属阻尼器通常应用于小跨度桥梁或者房屋建筑物中，现有的金属阻尼器无法满足大跨度桥梁正常运营状态下对桥梁变形位移的限制，因而需要设计一种用于大跨度桥梁的新型减震耗能装置，既能满足正常运营状态下桥梁变形位移的限制，又能在地震情况下充分减震耗能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的现有大跨度铁路桥梁缺乏满足正常运营状态下桥梁变形位移的限制，又能在地震情况下充分减震耗能，且经济实用的阻尼器的上述不足，提供一种铁路桥梁弹塑性金属限位减震耗能装置设计方法。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：本专利技术采用金属高延性钢材质的阻尼器作为铁路桥梁弹塑性金属限位减震耗能装置，优选软钢材质，其结构形式采用典型的悬臂梁结构形式，为了使所述限位减震耗能装置在各方向上限位和减震性能相同，选取圆形作为所述限位减震耗能装置的截面形式。为了使所述限位减震耗能装置在地震作用下具有良好的延性变形能力，滞回耗能曲线饱满，耗能能力更强，本专利技术采用了等强度梁设计原则设计所述限位减震耗能装置截面尺寸参数，采用该原则设计的所述限位减震耗能装置可使大部分截面同时进入屈服状态，最大程度增加延性变形能力；但采用等强度梁设计时，存在所述限位减震耗能装置顶端截面直径为零的问题，因此为解决该问题，如图1所示，在所述限位减震耗能装置顶端区域截面直径按线性变换设计，称该区域为过渡段，其余部分为等强段，图中H表示所述限位减震耗能装置高度，H1表示所述过渡段长度，do表示所述过渡段和所述等强段交接截面直径，d(x)表示距离顶端长度为x的截面直径。一种铁路桥梁弹塑性金属限位减震耗能装置设计方法，包括根据桥梁实际需求确定桥梁结构变形和受力的控制目标的步骤；所述控制目标包括：在外荷载作用下(如列车牵引、制动荷载，风荷载)桥梁主梁发生梁端位移；限位减震耗能装置约束作用产生的温度次内力和温度变形不影响桥梁结构安全和行车安全；正常运营荷载作用下所述限位减震耗能装置保持弹性状态不出现塑性；地震荷载作用下，所述限位减震耗能装置滞回耗能曲线饱满，桥梁结构受力状态满足规范要求，所述限位减震耗能装置具有良好的减震耗能能力等中的一种或多种；包括计算限位减震耗能装置的结构形状参数和弹性力学性能参数的步骤；所述结构形状参数包括：所述限位减震耗能装置的总高度、过渡段长度、各截面直径；所述弹性力学性能参数包括所述限位减震耗能装置的屈服前刚度、极限弹性力、极限弹性位移、屈服力、屈服位移、极限力、极限位移、屈服后刚度；包括根据所述结构形状参数和所述弹性力学性能参数计算所述限位减震耗能装置的力-位移关系的步骤；包括将所述力-位移关系模拟到全桥模型中，检验计算所述桥梁结构变形是否满足所述控制目标、桥梁结构受力是否满足桥梁设计规范要求的步骤；包括根据所述检验结果，调整所述限位减震耗能装置的结构形状参数和弹性力学性能参数，直到所述桥梁结构变形满足所述控制目标、桥梁结构受力满足桥梁设计规范要求的步骤。优选地，利用有限元软件建立所述全桥模型。优选地，所述有限元软件包括Midas/Civil、CSIBridge、OpenSees。优选地，该设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据桥梁实际需求确定桥梁结构变形或受力的控制目标。步骤二、根据桥梁实际空间分布情况，初步计算确定所述限位减震耗能装置的数量和每个所述限位减震耗能装置总高度H和过渡段长度H1，同时，计算每个所述限位减震耗能装置的弹性刚度ke。所述限位减震耗能装置的数量根据桥梁实际空间分布情况以及设计经验初步确定。所述限位减震耗能装置总高度H考虑主梁及主梁下部结构(桥墩、拱肋横梁等结构)的实际空间，以及所述限位减震耗能装置与主梁及主梁下部结构连接结构大小和空间情况，确定所述限位减震耗能装置总高度H的值，H1取H的10％-20％。每个所述限位减震耗能装置的弹性刚度ke根据高速列车过桥时在桥上引起的最大牵引力、制动力以及所述限位减震耗能装置的数量来确定。步骤三、计算所述过渡段和等强段交接截面直径do。按照等强度梁设计原则可知，所述限位减震耗能装置各截面同时发生屈服，则所述限位减震耗能装置顶端在水平荷载F作用下，各截面外侧同时达到最大应力，各截面最大弯曲应力为：式中，σmax(x)表示最大弯曲应力，F表示顶端水平力，x表示距离顶端的长度，d(x)表示截面直径。按照等强度梁设计原则，则所述限位减震耗能装置各截面直径变化函数可由式(1)求解得到：本专利技术所述限位减震耗能装置为悬臂梁受力模式，所述限位减震耗能装置在顶部水平力F作用下，其变形及内力分布如图2a和图2b所示，图中w表示所述限位减震耗能装置顶部水平位移，M表示所述限位减震耗能装置截面弯矩。当所述限位减震耗能装置处于弹性状态时，由结构力学计算理论，可求解出所述限位减震耗能装置在F作用下顶端水平位移w为：式中，Mo(x)表示单位荷载作用下距顶端长度为x的截面承受的弯矩值，M(x)表示水平力F作用下距顶端长度为x的截面承受的弯矩值，即Mo(x)＝x、M(x)＝Fx，E表示弹性模量，I(x)表示截面惯性矩，由于所述限位减震耗能装置的截面为圆形，故I(x)＝πd(x)4/64。将所述限位减震耗能装置各截面直径变化函数即式(2)代入式(3)，求解积分函数可得：因此由式(4)可得所述限位减震耗能装置的弹性刚度ke为：由式(5)可得出交接截面直径do的值。步骤四、计算所述限位减震耗能装置所能承受的极限弹性水平力Fe，极限弹性位移we，求解各截面直径变化函数d(x)。本专利技术所述限位减震耗能装置采用金属高延性钢材质，假设钢材屈服应力为σs，所述限位减震耗能装置所能承受的极限弹性水平力为Fe，当所述限位减震耗能装置处于弹性状态时，各截面外侧应力相等，取x＝H1处截面为研究对象，将σs、do带入式(1)便可反算极限弹性水平力Fe：则由式(5)和式(6)可得所述限位减震耗能装置的极限弹性位移we为：根据do的值、H的值、H1的值、σs的值以及式(6)、式(7)和式(2)可分别求解极限弹性水平力Fe、极限弹性位移we和截面直径变化函数d(x)。步骤五、将所述限位减震耗能装置沿高度方向平均分成n个节段，计算所述限位减震耗能装置顶端施加水平力F时，第i个节段截面的屈服弯矩Myi和实际弯矩Mi，i＝1、2、3......n。为计算所述限位减震耗能装置的力-位移关系，根据结构力学、材料力学、弹塑性力学计算理论，结合所述限位减震耗能装置的实际情况，对所述限位减震耗能装置的力学计算模式做如下假设：①各截面服从平截面假定；②仅考虑纯弯状态；③材料各向同性。本专利技术所述限位减震耗能装置是高延性钢材质结构件，其材料的特性直接影响着所述限位减震耗能装置的力学行为，因所述限位减本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁路桥梁弹塑性金属限位减震耗能装置设计方法，其特征在于，包括根据桥梁实际需求确定桥梁结构变形和受力的控制目标的步骤；包括计算限位减震耗能装置(1)的结构形状参数和弹性力学性能参数的步骤；包括根据所述结构形状参数和所述弹性力学性能参数计算所述限位减震耗能装置(1)的力‑位移关系的步骤；包括将所述力‑位移关系模拟到全桥模型中，检验计算所述桥梁结构变形是否满足所述控制目标、桥梁结构受力是否满足桥梁设计规范要求的步骤；包括根据所述检验结果，调整所述限位减震耗能装置(1)的结构形状参数和弹性力学性能参数，直到所述桥梁结构变形满足所述控制目标、桥梁结构受力满足桥梁设计规范要求的步骤。

【技术特征摘要】
1.一种铁路桥梁弹塑性金属限位减震耗能装置设计方法，其特征在于，包括根据桥梁实际需求确定桥梁结构变形和受力的控制目标的步骤；包括计算限位减震耗能装置(1)的结构形状参数和弹性力学性能参数的步骤；包括根据所述结构形状参数和所述弹性力学性能参数计算所述限位减震耗能装置(1)的力-位移关系的步骤；包括将所述力-位移关系模拟到全桥模型中，检验计算所述桥梁结构变形是否满足所述控制目标、桥梁结构受力是否满足桥梁设计规范要求的步骤；包括根据所述检验结果，调整所述限位减震耗能装置(1)的结构形状参数和弹性力学性能参数，直到所述桥梁结构变形满足所述控制目标、桥梁结构受力满足桥梁设计规范要求的步骤。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据桥梁实际需求确定桥梁结构变形或受力的控制目标；步骤二、根据桥梁实际空间分布情况，初步计算确定所述限位减震耗能装置(1)的数量和每个所述限位减震耗能装置(1)总高度H和过渡段(11)长度H1，同时，计算每个所述限位减震耗能装置(1)的弹性刚度ke；步骤三、计算所述过渡段(11)和等强段(12)交接截面直径do；步骤四、计算所述限位减震耗能装置(1)所能承受的极限弹性水平力Fe，极限弹性位移we，各截面直径变化函数d(x)；步骤五、将所述限位减震耗能装置(1)沿高度方向平均分成n个节段，计算所述限位减震耗能装置(1)顶端施加水平力F时，第i个节段截面的屈服弯矩Myi和实际弯矩Mi，i＝1、2、3......n；步骤六、若第i个节段截面的屈服弯矩Myi大于或者等于其实际弯矩Mi，则计算截面边缘弹性应变εi，得到第i个节段截面曲率φi，若第i个节段截面的屈服弯矩Myi小于其实际弯矩Mi，则计算应力平台高度A，计算截面弹塑性应变εi，得到第i个节段截面曲率φi；步骤七、利用所有节段截面曲率φi计算所述限位减震耗能装置(1)顶端弹塑性位移w，从而得出所述力-位移关系；步骤八、将所述力-位移关系模拟到全桥模型中，检验计算所述桥梁结构变形是否满足所述控制目标、桥梁结构受力是否满足桥梁设计规范要求；步骤九、根据所述检验结果，调整所述限位减震耗能装置(1)的结构形状参数和弹性力学性能参数，直到所述桥梁结构变形满足所述控制目标、桥梁结构受力满足桥梁设计规范要求。3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤三中交接截面直径do的值通过公式反算确定。4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤四中各截面直径变化函数d(x)通过以下公式确定：5.根据权利要求2-4任一项所述的设计方法，其特征在于，所述步骤七中所述限位减震耗能装置(1)顶端弹塑性位移w通过以下公式确定：6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据桥梁实际需求确定桥梁结构变形或受力的控制目标；步骤2、计算所述限...

【专利技术属性】
技术研发人员：董俊，杨国静，曾永平，陈克坚，刘力维，庞林，郑晓龙，陶奇，苏延文，徐昕宇，周川江，颜永逸，
申请(专利权)人：中铁二院工程集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川,51