《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）—第一部分桥梁工程篇《铁路桥梁减震榫与榫形防落梁装置研发与应用》

本期项目简介

完成单位：中铁第一勘察设计院集团有限公司、西安铁路集团有限公司

主要完成人：周友权、冯亚成、吴延伟、李侠、郝云杉、雷晓峰、李承根、陈应陶、康炜、杨少军、鲁兵舰、李帅、李伟龙、王冲冲、靳玮

项目简介

（一）项目背景

      为了满足列车运行的安全性和舒适性指标，铁路桥梁设计时十分重视提高结构的刚度。但是从结构抗震的角度来看，刚度越大，结构相应的地震反应就越大，尤其是高地震烈度区的低矮桥墩，抗震往往成为控制桥梁设计和工程投资的主要因素。结合大量的研究和实践，要解决这一矛盾，应该引入减隔震设计思路。众多铁路设计干线中，桥梁所占线路的比例越来越高，而且其中绝大部分都是简支梁桥。铁路桥梁的减隔震设计，应重点研究解决简支梁桥所存在的问题。结合中国铁路的特点，通过自主创新，研究和开发了具有独立知识产权，适合中国的国情、路情，在铁路常规简支梁上，可以大规模应用的新型减隔震产品——减震榫与榫形防落梁装置。

（二）技术概况

1. 减震榫

      减震榫采用了“支座功能分离”的设计理念。将简支梁桥的固定支座改为活动支座，在正常使用状态下，梁体传来的竖向反力及梁端的转角仍由支座实现，但梁体的水平反力及水平位移则由减震榫支撑和控制。地震发生后，梁体地震水平力将通过减震榫传至桥墩。通过对减震榫构造的精细化设计，在正常运营下满足列车对桥梁刚度的使用要求，在强震下有足够的延性以达到减小地震力的目的。利用减震榫的塑性变形能力实现桥梁减震目的，建立了以材料应力、应变性能与抗震设防目标匹配的设计准则。

2.榫形防落梁

      榫形防落梁设置于墩顶与梁底之间，装置在纵桥向与横桥向均预留一定的间隙，固定支座与活动支座均采用相同的装置。其构造与作用机理可简述为：在梁体与墩顶对应位置预埋钢筒，钢筒内插入一根实心钢榫，钢榫直径小于钢筒内径，当梁体与墩身发生超出预定的水平相对位移时，钢榫的上下端与钢筒内壁接触，开始受力产生弹性变形，继而发生塑性变形，实现有缓冲效应的减隔震与限位效果。

（三）适用范围

      减震榫与榫形防落梁装置，主要适用范围为铁路常用跨度简支梁与小跨连续梁，对于在铁路大跨桥梁结构以及公路桥梁上的应用还需要进一步研发探索。

（四）获奖情况

      获铁道学会科技进步二等奖1项、中国铁建优秀设计一等奖1项、中国铁建科技二等奖1项，减隔震相关技术科研成果分别入选2018、2020、2021年国家铁路局重大科技创新成果。

项目创新点

1. 研发了一种适用于铁路桥梁的新型减震榫及榫形防落梁装置，为国内外首创装置的构造与安装为国内外首创，获2项发明专利、5项实用新型专利。

2. 研发了一种适用于减震榫及榫形防落梁的新型抗震用低碳合金钢

（1）研究得到了装置抗震用合金钢的化学元素成分及所需的力学性能

（2）通过低周疲劳性能试验验证了材料与构造的可靠性

3. 通过理论研究与试验验证，提出了装置合理的构造形式

（1）从力学基本原理入手研发得到了装置榫体合理的截面形式

（2）理论研究得到了使装置能提供最大塑性变形的最佳构造形式

（3）试验研究得到装置锚固件与混凝土的合理连接构造

4. 理论与试验研究相结合，得到了装置的力学特征

（1）研究得到了装置弹性与塑性状态下应力与变形的关系

（2）研究得到了装置弹塑性状态过程中的变形与阻尼力及阻尼比的关系

（3）试验研究得到了装置的实际滞回性能

5. 提出了减震榫与榫形防落梁装置用于抗震分析的计算方法，并开发了相应计算软件

（1）提出了榫形防落梁装置用于非线性有限元计算分析的恢复力模型

（2）提出了装置用于简支梁桥抗震分析的简化算法

（3）开发了装置用于简支梁桥抗震分析的软件

6. 制定了减震榫与榫形防落梁装置的选型设计方法，有利于产品的应用推广

（1）综合理论与试验研究成果给出了装置抗震分析用的力学参数

（2）给出了便于设计时采用的装置型号及选型设计的方法与流程

7. 编制了国铁集团的技术标准，为装置在铁路桥梁大规模推广应用提供了强有力的标准支撑

应用案例

      郑西客专咸阳特大桥，采用的是单悬臂减震榫，应用范围为2孔32米简支箱梁。兰新第二双线，南山路立交特大桥，全桥130余孔32米简支梁，均安装了单悬臂减震榫。宝兰客专三阳川渭河2号特大桥，采用的是分离式减震榫，应用范围为2孔48米简支箱梁。吴忠至中卫铁路，全线简支梁均安装了分离式榫形防落梁，全线共计2184个桥墩使用8736套装置，本线全线不再另设普通防落梁，抗震设计上节省投资2100万左右。鲁南高速铁路临沂-曲阜段，全线简支箱梁和连续梁均采用了榫形防落梁装置；大同-原平高速铁路、中兰高速铁路、包头至银川高速铁路、兰州至张掖高速铁路、合新高速铁路、渝昆高速铁路，全线简支箱梁均采用榫形防落梁装置。

社会效益与经济效益

      装置针对铁路简支梁而研发，减隔震效果好、成本低廉，可以较小的经济代价，将铁路简支梁桥的抗震设防等级，由规范规定的多遇地震提升至罕遇地震，确保国民经济命脉在地震作用下的安全畅通，具有良好的社会效益。研发成果为国铁集团技术标准《铁路桥梁减震榫及榫形防落梁装置》的编制提供了极为重要的技术支撑，技术标准的发布对于推广装置在铁路桥梁上的应用、有效降低地震危害，意义重大。

      在吴忠至中卫铁路上，全线简支箱梁均采用了榫形防落梁装置，抗震设计上节约了投资约2100万元，经济效益显著。目前减震榫与榫形防落梁产品，已授权多个厂家进行生产，通过在高烈度地区铁路简支梁桥上的应用推广，装置年产值达到近2亿元的规模，取得了良好的科技成果转化效果。