機械式熔斷裝置在橋梁減隔震中的應用

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摘要：橋梁減震在進行橋梁設計時是必須要考慮到的關鍵問題，所謂的減隔震技術是指通過采用減隔震裝置來盡可能的將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件與可能引起破壞的地震地面運動或支座運動分離開來，大大減少傳遞到結(jié)構(gòu)中的地震力和能量。隨著研究的深入，減隔震技術已不單單應用于新建橋梁的抗震設計中并且正在廣泛的應用于橋梁結(jié)構(gòu)的加固設計中。

關鍵詞：減隔震；機械式溶斷；球鋼支座；橋梁

一、前言

2008年汶川地震后，橋梁及建筑物的震害及抗震技術的需求，越來越多地引起人們的關注。國家頒布JTG/TB02—0l一2008《公路橋梁抗震設計細則》，明確規(guī)定橋梁工程應兩水準設防和兩階段設計，橋梁的減隔震技術也迅速發(fā)展。通過引人減隔震裝置改變結(jié)構(gòu)在地震中的動力響應，在強震下降低上部結(jié)構(gòu)傳遞至下部結(jié)構(gòu)的地震力。從而達到橋梁減震的效果。

二、橋梁減隔震支座的發(fā)展現(xiàn)狀

自汶川地震后，橋梁的減、隔震設計得到重視，我國先后修訂了公、鐵路橋梁的抗震設計規(guī)程，對橋梁支座的減隔震提出了相應的要求。為我國橋梁減、隔震支座的發(fā)展提供了良好的契機。我國公、鐵路橋梁設計依據(jù)的抗震規(guī)程主要有：

1、GB50111—2006鐵路工程抗震設計規(guī)程；

2、JTG/TB02—0l一2008公路橋梁抗震設計細則。根據(jù)GB50111-2006鐵路工程抗震設計規(guī)程，鐵路橋梁抗震按三階段設計，即：

（1）多遇地震（50年）：地震后不損壞或輕微損害，能夠保持正常使用功能，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段；

（2）設計地震（475年）：地震后可能損害，經(jīng)修復，短期內(nèi)能恢復正常使用功能，結(jié)構(gòu)整體處于非彈性工作階段；

（3）罕遇地震（2475年）：地震后產(chǎn)生較大破壞，但不出現(xiàn)整體倒塌，經(jīng)搶修后可限速通過，結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作階段。

根據(jù)以上要求，鐵路橋梁的減隔震支座應滿足以下安全性要求：

（1）在多遇地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全應滿足GB50111-2006鐵路工程抗震設計規(guī)程的要求，減、隔震支座的耗能機構(gòu)不應影響結(jié)構(gòu)的正常使用功能；

（2）在設計地震作用下，橋梁連接構(gòu)件的抗震安全應滿足GB5011l一2006鐵路工程抗震設計規(guī)程的要求，減、隔震支座的位移鎖定裝置得到釋放，耗能作用在地震中得到有效發(fā)揮，支座的地震位移小于容許位移；

（3）在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的抗震性能應滿足以下要求：①橋墩的延性比滿足GB50111-2006鐵路工程抗震設計規(guī)程的相關要求，隔震橋梁鋼筋混凝土橋墩的容許廷性比取2.4；②減、隔震支座的最大位移必須小于裝置的容許位移；③減、隔震支座與橋梁之間連接構(gòu)件的強度滿足安全要求。

三、橋梁減震設計

1、減隔震技術并不是適合應用于各種情況。場地比較軟弱、不穩(wěn)定、或延長橋梁結(jié)構(gòu)周期后容易發(fā)生共振等情況，不宜使用隔震技術。因此，在進行橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設計之前需要判斷該橋是否適合采用隔震技術。經(jīng)研究表明，只要滿足下面任何一條條件，就可以嘗試采用隔震技術進行橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設計。

（1）地震波的角度：適用于能量集中于高頻的波。

（2）結(jié)構(gòu)的角度：橋梁是高度不規(guī)則的，例如相鄰橋墩的高度顯著不同，因而可能存在對某個墩延性要求很高的情況。

（3）場地的角度：對于給定的場地，預期地面運動特性比較明確，具有較高的卓越頻率和在長周期范圍內(nèi)所含能量較低。

2、存在以下情況之一的橋梁，不宜采用減隔震設計：

（1）地震作用下，場地可能失效；

（2）下部結(jié)構(gòu)剛度小，橋梁的基本周期比較長；

（3）位于軟弱場地，延長周期可能引起地基與橋梁共振；

（4）支座中可能出現(xiàn)負反力時。

四、機械式熔斷裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理

熔斷裝置根據(jù)工作原理分為液壓熔斷裝置和機械熔斷裝置，液壓熔斷裝置是在液壓油缸上設置1個溢流閥，當油缸所受壓力小于溢流閥的開啟壓力時剛性連接，當壓力大于溢流閥開啟油缸可以自由運動。

剪斷裝置下座板固結(jié)于橋墩上，上座部固結(jié)到梁體上，梁體的水平荷載（如：制動力、風荷載、多遇地震力等）通過上座部傳遞給剪力銷軸，再通過剪力銷傳遞給下座板，而下座板與橋墩相連，實現(xiàn)正常運營工況的約束、限位。但烈度較大的地震發(fā)生時，剪力銷所承受的剪應力值超過自身強度而發(fā)生剪切破壞，梁體與橋墩的連接得到釋放，實現(xiàn)機械式熔斷環(huán)的工作原理。

熔斷裝置的力需要嚴格控制在一定范圍內(nèi)，通常為設計力的±10%，剪切破壞面應在預定的位置，對剪力銷和熔斷裝置的材料及設計要求較高。剪力銷在剪切面處設置v形口，嚴格控制最小直徑處的尺寸，這樣可以精確控制銷軸在純剪切作用下的作用力。

在熔斷裝置上增加抗彎螺栓，通過螺栓抗拉抵消銷軸彎曲拉應力，使得熔斷裝置中的銷軸保持在純剪切位置。

五、熔斷力設計控制與實驗

熔斷裝置性能判斷標準之一：裝置熔斷力的精度，在很大程度上依賴于剪力銷剪斷強度。剪力銷尺寸按照純剪切設計，設計熔斷力控制按照式（1）計算：

式中：為剪力銷最小截面積，為剪力銷材料剪應力強度標準值。

由式（1）可知，當橋梁工程需要某一熔斷力時，調(diào)整剪力銷最小截面積，即銷軸最小截面的半徑而對于橋梁需求熔斷裝置的熔斷力較大時，通過多個剪力銷組合，熔斷力為剪力銷的數(shù)量乘上單個剪力銷的熔斷力。剪力銷設計完成后，需要進行試制和在材料試驗機上進行剪切實驗，實驗工裝構(gòu)造尺寸需要與熔斷裝置的上、下座板尺寸一致。

六、機械式熔斷裝置在兩港公路大治河橋中的應用

以大治河橋為例，其采用彈塑性阻尼器減隔震技術，在E1地震作用下，要求上下部的連接與靜力狀況一致，結(jié)構(gòu)保持彈性；在超過E1地震作用時，上下部相對位移，彈塑性阻尼器起作用。這就需要上下部的連接有一個開關（熔斷裝置）區(qū)分2個階段。大治河橋為主跨158m的預應力混凝土魚脊梁橋，橋?qū)?5m，上部結(jié)構(gòu)重量近4萬t，橋墩高度低，剛度大，周期短，抗震設計采用減隔震，在強震下采用彈塑性阻尼器的減隔震技術，在超過E1地震作用時，上下部相對位移，彈塑性阻尼器起作用。為此在橋梁的上下部連接中設置熔斷裝置，在靜力狀態(tài)及多遇地震工況，上下部連接可靠；強震工況，上下部的連接熔斷，橋梁轉(zhuǎn)化為減隔震的外約束體系。

兩港公路大治河橋工程的熔斷裝置用于固定墩的上下部連接的縱向限位，其功能：正常工況、制動力、多遇地震力約束縱向位移，強震時熔斷釋放橋梁上下部的縱向連接，彈塑性鋼阻尼器發(fā)揮減隔震作用。該橋設置2種型號熔斷裝置，設計熔斷力分別為15000kN，6500kN，為節(jié)約成本、方便安裝，將熔斷裝置與橋梁支座結(jié)合一體。

七、結(jié)束語

熔斷裝置是隨著橋梁“減隔震設計”而出現(xiàn)的新型橋梁構(gòu)件，主要有液壓熔斷和機械式熔斷2種裝置，機械式熔斷裝置主體材料為鋼材，較液壓熔斷裝置具有可靠性高、耐久性好和免維護等優(yōu)點。本文介紹的機械式熔斷裝置已成功應用于兩港公路大治河橋，具備較好的橋梁減震的效果，因此，橋梁減震中熔斷裝置在橋梁工程中的減震應用中具有一的定指導、推廣作用。