簡單橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計模型減隔震應(yīng)用的模擬分析

章凱宇 劉 彬

（1.長沙市長郡梅溪湖中學(xué)， 湖南 長沙 410100）

（2.湖南廣播電視大學(xué)， 湖南 長沙 410004）

我國是一個地震多發(fā)國家，傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計調(diào)節(jié)能力弱，為了達到抗震的目的，主要是采取增加橋梁自身的抗震性能的方法，但由于地震具有不可預(yù)測性等因素，常規(guī)的抗震設(shè)計往往無法確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。而減隔震設(shè)計能夠在簡單橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中降低外界對橋梁的破壞，對橋梁的質(zhì)量具有很大的保障作用，是一種能有效減輕結(jié)構(gòu)在地震中遭受損壞的設(shè)計方法。在簡單橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，橋梁建設(shè)工作人員往往會用到減隔震技術(shù)。一方面，在減隔震技術(shù)中使用柔性支撐結(jié)構(gòu)，可以盡可能地減少地震對結(jié)構(gòu)所造成的損傷，可以提升結(jié)構(gòu)的使用年限；另一方面，為了增加結(jié)構(gòu)的阻尼性能，使用阻尼器式能量耗散元件，能夠確保結(jié)構(gòu)的安全，減少外力的損害，延長結(jié)構(gòu)的自振周期。另外，減隔震裝置可以使得結(jié)構(gòu)在遇到強烈地震時能降低不良影響，通過較小結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)，可以提升荷載力，有效支撐整體結(jié)構(gòu)。并且為了有效抑制結(jié)構(gòu)位移的變化，可加大結(jié)構(gòu)的阻尼性能。

1 簡單橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計模型分析

筆者選擇簡單橋梁為研究對象，以全橋為主進行分析與計算，地震發(fā)生時，相鄰橋孔之間會產(chǎn)生相互影響。其橋梁橋墩的最大高度為36.5m，使用標(biāo)號為C55的混凝土，工程所處場地類型為II類，墩身結(jié)構(gòu)使用C40混凝土，主梁跨中截面梁的高度為4.4m，支撐位置梁體的高度為8.8m，使用單箱室變截面箱梁，從左墩到右墩的序號順次為1#～6#，使用的是變截面、實心、活動墩，但4號為固定墩。通過對設(shè)計圖紙的分析，我們可以看出，一般情況下，受地震的影響，箱梁與橋墩處于彈性狀態(tài)中。因此，可以借助彈簧剛度對橋墩下端來模擬樁土的實際作用情況；為了對橋墩和主梁進行深入地研究，采取線性梁單元模擬進行研究；可以使用非線性彈簧對橋墩與箱梁之間的支座狀態(tài)進行模擬試驗。通過綜合權(quán)衡與比對分析可知，此次全橋計算模型中共使用230個線彈性梁單元和6個支座彈簧單元。

2 減隔震裝置的基本構(gòu)造

2.1 速度鎖定器

速度鎖定器與阻尼器的工作機理具有相同之處，當(dāng)速度鎖定器缸體與活塞桿的速度達到某一特定數(shù)值時，將活動主墩與梁體有效地連接起來，自動變成剛性連桿，速度鎖定器會執(zhí)行鎖定功能；當(dāng)溫度發(fā)生變化時，速度鎖定器可以有效降低系統(tǒng)內(nèi)力，由鎖定狀態(tài)自動切換為自由活動狀態(tài)，避免引起梁體出現(xiàn)伸縮狀態(tài)；在設(shè)備實際運行中，速度鎖定器的狀態(tài)并沒有嚴(yán)格的界限，內(nèi)力大小與速度也有密不可分的聯(lián)系，或處于鎖定狀態(tài)，或處于非鎖定狀態(tài)。因此可以使用基于Maxwell模型的阻尼器單元來模擬、分析速度鎖定器元件。但阻尼值的設(shè)置上，通常將指數(shù)取 2較為恰當(dāng)，需要根據(jù)速度鎖定器明確速度值。另外，如果結(jié)構(gòu)模型的自振周期較之前發(fā)生顯著的變化，在結(jié)構(gòu)中應(yīng)引入速度鎖定器對整體結(jié)構(gòu)造成的影響。因此，在模型設(shè)置中，速度鎖定器的有效剛度也應(yīng)作為主要的參照依據(jù)。

2.2 摩擦擺隔震裝置

其具有成本低、技術(shù)要求程度第、可操作性強、承載能力強、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，消能原理主要是為了減少由于地震作用所引發(fā)的放大效應(yīng)，借助滑動面的設(shè)計延長結(jié)構(gòu)的振動周期，為了降低相關(guān)結(jié)構(gòu)物的損傷程度，通過支座的滑動面與滑塊之間額摩擦來削弱地震能量。并且摩擦擺隔震裝置具有一定的圓弧滑動面，在地震結(jié)束后，能夠使支座恢復(fù)原樣，進行自動復(fù)位。

2.3 鋼阻尼支座

鋼阻尼支座構(gòu)造簡單大方，類型主要有C型鋼、E型鋼等，屬于一種新型軟鋼支座，在生產(chǎn)中可以為生產(chǎn)廠家節(jié)省一定的成本。在設(shè)計時，應(yīng)整合優(yōu)化設(shè)計鋼阻尼元件與常規(guī)支座，才能使其豎向支撐與水平滯匯耗能的功效。本工程使用E型鋼阻尼制作，E型鋼阻尼具有塑性變形的特征，具有不可逆性，能夠有效降低其對結(jié)構(gòu)的損傷程度，減弱地震能量。對于簡單橋梁結(jié)構(gòu)來說，一般荷載狀態(tài)下，在制作過程中，通過對E型鋼的形狀進行改變，增強其塑性變形能力，可以使E型鋼阻尼變成一個“活動支座”，從而可以最大限度地減小局部變形形象，從而提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的使用年限。

3 簡單橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計模型中減隔震的設(shè)計

3.1 速度鎖定器的設(shè)計

在溫度發(fā)生變化時，為了保障速度鎖定器處于可控位移幅度內(nèi)，將速度鎖定器安裝在其他主墩上，這樣，當(dāng)有地震發(fā)生時，鎖定器會與固定主墩一起抵抗地震所帶來的強烈震感，會啟動鎖定功能，將活動支座變成固定支座，以此來保護橋梁結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性，有效降低固定主墩自身的承載力。并且借助鎖定功能，速度鎖定器支座可以使得主墩所承受的地震力得到均勻分散，有效分擔(dān)規(guī)定主墩所應(yīng)承受的水平地震力，從而延長主墩的使用年限，降低其自身的承受力，穩(wěn)定橋梁整體結(jié)構(gòu)。

3.2 摩擦擺隔震的設(shè)計

在固定墩上安裝固定型摩擦擺裝置，并將活動型摩擦擺隔震裝置安裝在其他墩上。當(dāng)有地震發(fā)生時，為了降低固定墩所承受的抗彎曲能力、水平地震力，固定墩會借助摩擦擺模型，與其他墩保持相同步調(diào)的擺動，固定型摩擦裝置會轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒有蜖顟B(tài)。同時，為了減小橋面抬升而造成的影響，減小滑動面的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效降低由于地震現(xiàn)象所造成的放大效應(yīng)，延長結(jié)構(gòu)的振動周期，提升橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，摩擦擺隔震能夠有效降低由于地震現(xiàn)象所造成的放大效應(yīng)。

3.3 鋼阻尼支座

在簡單橋梁實際運行工作中應(yīng)滿足平時的溫度位移差。因此，為了均勻分擔(dān)主墩所承受的外力，可以將鋼阻尼支座與速度鎖定器進行搭配使用，最大限度地發(fā)揮E型鋼的減震效能，使速度鎖定器協(xié)助鋼阻尼器的減震隔震作用，有效降低主墩自身的承載力。

3.4 方案對比

通過以上分析可以得知，速度鎖定器在減震方面效果小，但能增強橋梁的整體抗震能力；而摩擦擺隔震裝置以從根本上減小縱橫向的地震力，減震效果最為突出，兩者都具備減小地震應(yīng)力的作用；鋼阻尼器在減震方面也具有巨大的優(yōu)勢，但影響橋梁自身結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。由此可見，不管是在縱向減震還是橫向減震方面，摩擦擺隔震裝置是最佳的選擇，都明顯優(yōu)于其它方案。

4 結(jié)論

通過上述分析，可知：在簡單橋梁結(jié)構(gòu)中，從抗震規(guī)范要求來說，采取減隔震設(shè)計能夠有效分散固定墩的荷載力；將速度鎖定器安裝在固定墩中，對縱向減隔震具有效果，具有一定的適用條件，可以增強橋梁的整體抗震能力，增加裝置的防震效果，顯著增強活動主墩的剪力彎矩；在橫向和縱向上，鋼阻尼支座設(shè)置具有很好的減隔震作用；摩擦擺隔震裝置會具有一定的局限性，會使得橋面出現(xiàn)抬升現(xiàn)象；應(yīng)根據(jù)簡單橋梁的實際情況選擇減隔震方案，選取恰當(dāng)?shù)难b置以及支座參數(shù)。