分析橋梁結(jié)構(gòu)地震碰撞效應(yīng)及防落梁措施

秦思楊

（招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司 400067）

分析橋梁結(jié)構(gòu)地震碰撞效應(yīng)及防落梁措施

秦思楊

（招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司 400067）

針對橋梁結(jié)構(gòu)地震碰撞效應(yīng)以及相關(guān)防落梁措施進(jìn)行分析，首先提出了橋梁結(jié)構(gòu)中接觸面碰撞問題；其次分析了相鄰橋梁結(jié)構(gòu)中的地震碰撞理論。結(jié)合這些內(nèi)容，闡述了減輕碰撞及防止落梁的有效措施，其中包括調(diào)節(jié)橋梁縫寬度，在梁件安裝緩沖材料，防止落梁的措施等。通過對這些問題的分析，總結(jié)出要想保證地震碰撞帶來的影響被降低，就需要對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入分析，從而得出最佳方案。

橋梁結(jié)構(gòu)；地震碰撞效應(yīng)；接觸面

當(dāng)下，對接觸面碰撞問題進(jìn)行分析主要有三種方法：分別是恢復(fù)系數(shù)法、基礎(chǔ)單元法以及拉格朗日乘子法。其中恢復(fù)系數(shù)法屬于一個較為傳統(tǒng)的方法，其主要是根據(jù)動力守恒定律對兩個質(zhì)點的碰撞進(jìn)行分析，根據(jù)其狀態(tài)對碰撞后的速度做出判斷，對恢復(fù)系數(shù)法以及摩擦系數(shù)法，進(jìn)行彈性或者塑性碰撞以及接觸面具備的光滑性做出適當(dāng)?shù)哪M?；謴?fù)系數(shù)法可以對兩個鋼體之間的碰撞問題進(jìn)行處理，其物理概念相對清楚、算法也較為簡單。

1.橋梁結(jié)構(gòu)接觸面碰撞問題

相關(guān)研究表明：一方面，對橋梁設(shè)計進(jìn)行規(guī)范過程中，相鄰的橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)有相近基礎(chǔ)頻值，進(jìn)而對相鄰橋跨之間產(chǎn)生的不同步振導(dǎo)致橋梁發(fā)生碰撞做出防范，只有不對樁土的相互作用進(jìn)行考慮，同時不考慮空間變化的效應(yīng)，才能保證其有效性。第二方面，發(fā)生碰撞后，往往會造成橋墩的彎矩減小，剛性地基上具備橋跨結(jié)構(gòu)所承受的碰撞力要比柔性地基上的橋跨所承受的大。第三方面，針對在軟土地基上所設(shè)置的新型位移模數(shù)式伸縮縫的橋梁來說，當(dāng)相鄰橋跨基頻之間存在的比值在1.85-1.15的范圍內(nèi)時，最小伸縮縫寬度需求將因為樁土的作用被減小。而針對堅硬場地上橋跨空間變化來說，因為空間變化造成的震動下，相鄰跨之間產(chǎn)生的基頻比數(shù)量較為相近時，其也提升了對最小伸縮縫寬度的要求[1]。

2.相鄰橋梁結(jié)構(gòu)地震碰撞理論

對較為簡單的兩自由模型進(jìn)行自由碰撞的研究，發(fā)現(xiàn)了框架橋的動力特性、地面運動以及框架屈服等的影響。還利用了一個 4自由度模型對雙邊捧碰撞的影響進(jìn)行分析。

以16m或32m跨度的高速鐵路中的簡支；梁作為橋的背景，分別建立了兩跨和四跨的不等的平面計算模型。另外，將具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的彈性以及塑性體系之間進(jìn)行比較，得出的相關(guān)參數(shù)表明，非彈性結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的最大位移和彈性結(jié)構(gòu)性所產(chǎn)生的最大位移大，但是其具備的最大速度以及碰撞次數(shù)均有所減弱。對多跨混凝土的箱梁橋所承擔(dān)的碰撞效應(yīng)進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示，經(jīng)過碰撞后，會產(chǎn)生很大的碰撞力，但所產(chǎn)生的這些力不會有所轉(zhuǎn)移，這些碰撞往往會導(dǎo)致墩頂所產(chǎn)生的位移減小。但是對于較短的橋墩來說，其受到的碰撞要比較長的橋墩力度大，并且所產(chǎn)生的碰撞不會造成兩個橋墩之間的相對位移。

3.減輕碰撞及防止落梁的有效措施

3.1 調(diào)節(jié)橋梁縫寬度

為了避免碰撞的發(fā)生，最為直接的辦法便是為相鄰的結(jié)構(gòu)提供足夠的間隙距離。相關(guān)學(xué)者針對這一問題進(jìn)行研究，其結(jié)果表明，間隙之間產(chǎn)生的碰撞力小，碰撞所產(chǎn)生的力度大；間隙小的碰撞次數(shù)過大，其碰撞力小。縫隙之間間距較大或者較小時，其對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的反應(yīng)影響就越小，但是當(dāng)縫隙之間間距不大不小時，對橋墩受力帶來的影響就越大。當(dāng)橋縫過寬，伸縮縫兩側(cè)梁體之間可能會出現(xiàn)相對獨立的震動，進(jìn)而使大量的震動能量被吸收，使震動帶來的影響被有效降低。因此，適當(dāng)?shù)脑黾由炜s縫的寬度，會在一定程度上減輕梁體之間的碰撞。而橋梁的伸縮縫如果過小，可能對梁體中溫度應(yīng)力的釋放過程受到影響，橋梁體伸縮縫寬度過大，橋上的行車便不夠平穩(wěn)。所以，減小碰撞帶來的影響，不能只靠對伸縮縫的調(diào)節(jié)來控制[2]。

3.2 在梁件安裝緩沖材料

在碰撞能夠接觸的位置適當(dāng)?shù)陌惭b連接桿、阻尼器以及硬橡膠緩沖墊以及可壓縮裝置等，并對碰撞措施等進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆治龊吞接?。?jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，對連接管和阻尼器進(jìn)行安裝的過程中，如果連接管剛度過大或阻尼器阻尼過大的情況下，才能發(fā)揮最大效果，但是對于這種大剛度或者高阻尼的連接構(gòu)建來說，幾乎將上部結(jié)構(gòu)變成連續(xù)體系，采用這樣的方式使梁體從溫度和混凝土收縮徐變方面產(chǎn)生的影響存在較大內(nèi)力，進(jìn)而嚴(yán)重影響梁體。將一種可壓縮裝置安裝在梁間，當(dāng)罕見地震發(fā)生時，這一裝置出現(xiàn)碰撞時會被壓碎，進(jìn)而增加了梁體的運動空間，防止發(fā)生碰撞，但是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后表明，因為壓碎裝置產(chǎn)生的塑性變形所產(chǎn)生的能量并不大，起著主要作用的當(dāng)壓碎裝置被破壞后的梁體震動所耗費的能量。此外，對橡膠緩沖墊進(jìn)行安裝，可以使橋底的彎矩和臨梁之間所產(chǎn)生的碰撞力被減小。通過對這幾種可以減小碰撞力的措施進(jìn)行比較，可以對一種類似于液體的油缸阻尼器的沖擊傳遞裝置將碰撞力效應(yīng)進(jìn)行降低，通過這一裝置，在因為溫度導(dǎo)致的變形情況下，其阻力是最小的[3]。

3.3 防止落梁的措施

防止落梁做根本的方法是為伸縮縫支承位置提供足夠的搭接長度。當(dāng)各個支承處的震動較小，并且相位所產(chǎn)生的變化和結(jié)構(gòu)中存在的基本陣型不同時，需要搭接的長度就越大。但是當(dāng)橋梁的卓越頻率和地震動所存在的卓越頻相同時，其所需要的搭接長度達(dá)到最大。另外，對連梁裝置問題進(jìn)行分析，進(jìn)行固定支座和滑動支座進(jìn)行區(qū)分。利用驗算固定支座受力和滑動支座所產(chǎn)生的位移進(jìn)行是否需要限時器的判斷。首先，對限時裝置使用數(shù)量進(jìn)行假定；其次對約束系統(tǒng)的位移進(jìn)行科學(xué)預(yù)算。然后對限位裝置中的應(yīng)力進(jìn)行驗算，將其控制在受力彈性的范圍內(nèi)。

結(jié)束語：

為了使地震中產(chǎn)生的碰撞問題得到解決，對引起橋梁地震碰撞的原因以及帶來的影響因素進(jìn)行分析十分重要。產(chǎn)生碰撞的直接原因主要是相連橋跨之間出現(xiàn)的位移超出了伸縮縫處的允許間隙。在橋梁的機(jī)構(gòu)中，導(dǎo)致這種相對位移發(fā)生的主要原因是，相鄰橋跨的剛度和質(zhì)量分布的不同導(dǎo)致動力特性不一致，在發(fā)生地震過程中出現(xiàn)不同的震動，進(jìn)而出現(xiàn)相應(yīng)的碰撞。另外，導(dǎo)致碰撞發(fā)生的主要因素還有樁土之間產(chǎn)生的相互作用以及相鄰橋梁之間間隙的大小等。

[1]何睿華.碰撞單元剛度對橋梁碰撞效應(yīng)的影響[J].青海交通科技,2015,02:17-21.

[2]孫廣俊,李鴻晶,趙鵬飛.簡支梁橋地震落梁失效控制模式研究[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,02:40-47.

[3]王炎,謝旭,申永剛.近場地震作用下鐵路減震橋梁地震響應(yīng)研究[J].鐵道學(xué)報,2012,12:102-109.

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1007-6344（2016）03-0089-01

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