研究橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法

王顯斌，李 兵

(山東中咨公路咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257091)

研究橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法

王顯斌，李 兵

(山東中咨公路咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257091)

分析了橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法的重要性和設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出了設(shè)計(jì)方法應(yīng)用問題的控制措施策略。其目的是為相關(guān)建設(shè)者提供一些理論依據(jù)。結(jié)果表明，要想使橋梁結(jié)構(gòu)不受地震問題的影響，可通過粘滯阻尼器、抗震滑動(dòng)摩擦支座以及鉛芯橡膠支座來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

橋梁結(jié)構(gòu)；減震設(shè)計(jì)；粘滯阻尼器；抗震滑動(dòng)摩擦支座

1 研究橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法的重要性

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，橋梁工程的建筑規(guī)模逐漸擴(kuò)大。在此情況下，我國(guó)許多區(qū)域地處地震活躍地帶，這就給橋梁工程結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)提出了不小的挑戰(zhàn)。在以往，橋梁結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)大多通過提升構(gòu)件組成的整體強(qiáng)度來(lái)達(dá)到抗震效果。這種減震設(shè)計(jì)確實(shí)能在一定程度上保證橋梁結(jié)構(gòu)不被垮塌問題影響，但對(duì)于構(gòu)件自身來(lái)說(shuō)，卻不能避免其受到損壞。由此可見，傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法無(wú)法從根本上保證橋梁的抗震能力。而且，過多的追求橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，也會(huì)增加工程建設(shè)的造價(jià)成本，從而影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體美觀性。因此，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)從優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法入手，即通過特質(zhì)的減震元件，進(jìn)而降低橋梁構(gòu)件受地震破壞的影響程度。具體來(lái)說(shuō)，有效的橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)是成功使隔震裝置把橋梁結(jié)構(gòu)與地震隔離開來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)根本上的保證橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力。只有橋梁結(jié)構(gòu)的作用穩(wěn)定性和安全性得到了應(yīng)有的保證，才能使我國(guó)的交通運(yùn)輸業(yè)實(shí)現(xiàn)健康發(fā)展。因而，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)將其重視起來(lái)，以滿足交通運(yùn)輸業(yè)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)的應(yīng)用需求。

2 橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法主要有兩種，分別是：延性設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。其中強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用主要是通過提高橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，來(lái)保證結(jié)構(gòu)自身的抗震能力。但這種減震設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用需要消耗一定程度的經(jīng)濟(jì)成本，而且也不利于實(shí)際操作。而延性設(shè)計(jì)方法，主要是通過控制地震攜帶能量傳遞到橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件而產(chǎn)生塑性變形，來(lái)保證結(jié)構(gòu)作用的穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，采用以往的橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法不僅增加了工程建設(shè)的成本，還使得相關(guān)建設(shè)人員必須針對(duì)永久性的塑性變形采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)和維修措施。因此，相關(guān)人員可加大在減震、隔震設(shè)計(jì)方法方面的研究，以實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)應(yīng)用的合理性。相關(guān)研究表明，減震設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用更具經(jīng)濟(jì)性和便捷性。具體來(lái)說(shuō)，減震隔震技術(shù)的作用原理為：通過添加結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)件的延性，來(lái)降低工程對(duì)地震反應(yīng)的影響。這樣一來(lái)，橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼能量就能得到增加，結(jié)構(gòu)受地震影響發(fā)生的位移變化也會(huì)有所減小。由此可見，在目前的橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，應(yīng)用減震隔震設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)作用的支撐，這是提高結(jié)構(gòu)整體作用安全性、耐久性的關(guān)鍵。

3 控制橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法應(yīng)用缺陷的措施策略

3.1 粘滯阻尼器設(shè)置

以某高墩連續(xù)梁橋工程為例，地震災(zāi)害的發(fā)生會(huì)對(duì)自由墩和固定墩造成較為明顯的破壞。因此，減震設(shè)計(jì)人員必須通過對(duì)應(yīng)的減震設(shè)計(jì)方法，即在橋墩與主梁之間設(shè)置粘滯阻尼器，來(lái)橫向固定橋梁伸縮縫處的支座結(jié)構(gòu)。對(duì)于該工程粘滯阻尼器的參數(shù)設(shè)計(jì)過程來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)人員將精力主要集中于阻尼指數(shù)和阻尼系數(shù)。具體來(lái)說(shuō)，橋梁結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)效果會(huì)隨著阻尼系數(shù)的增加而實(shí)現(xiàn)作用穩(wěn)定性。但阻尼系數(shù)也需要設(shè)計(jì)人員對(duì)其進(jìn)行一定的數(shù)值控制，否則其作用將失去效果。

3.2 抗震滑動(dòng)摩擦支座

橋梁結(jié)構(gòu)的支座設(shè)計(jì)均要選擇雙向滑動(dòng)的摩擦支座，這是因?yàn)橹ё軌蛴行牡卣饘?duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的剪切影響。因此，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)在橫向減震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)支座設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)人員首先要設(shè)定一個(gè)抗震滑動(dòng)摩擦的支座單元，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力分析。此過程，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)分析研究的結(jié)果建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析模型，這樣一來(lái)，抗震滑動(dòng)摩擦支座的前剛度系數(shù)就可以是橋梁上部結(jié)構(gòu)自重的2%。在橋梁上部結(jié)構(gòu)的位移得到參數(shù)控制后，結(jié)構(gòu)就可以反推除抗震滑動(dòng)摩擦支座的后剛度。這就可以將橋梁結(jié)構(gòu)抗震滑動(dòng)摩擦支座發(fā)生的變形控制在2mm左右，即不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身、交通運(yùn)行造成影響。如表1所示，為橋梁結(jié)構(gòu)受最大剪力減震效果的比較。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)受最大剪力減震效果的比較

由表1所示，在設(shè)計(jì)抗震滑動(dòng)摩擦支座后，橋梁結(jié)構(gòu)能夠通過滑動(dòng)摩擦作用來(lái)進(jìn)行地震影響的消耗，從而大幅度減小了地震對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響。值得注意的是，設(shè)計(jì)人員還要控制好主梁與墩頂之間的位移差。

3.3 鉛芯橡膠支座

在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)支座時(shí)，設(shè)計(jì)人員可通過去除作用于伸縮縫結(jié)構(gòu)的縱向布置，來(lái)降低伸縮縫發(fā)生位移的頻率。相關(guān)研究表明，橋梁支座的剛度會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)造成影響。具體來(lái)說(shuō)，如果支座剛度小，那么墩頂?shù)奈灰凭蜁?huì)變小。但如果結(jié)構(gòu)梁體產(chǎn)生了較大的位移，那么隨著支座剛度的增加，墩頂?shù)奈灰凭蜁?huì)增大，從而導(dǎo)致梁體的位移減小。此外，橋梁結(jié)構(gòu)支座的屈服前剛度變化也會(huì)對(duì)橋墩及梁體位移產(chǎn)生直接的影響，這就意味著實(shí)際的施工要避免其會(huì)結(jié)構(gòu)的抗震效果造成影響。值得注意的是，方橋梁結(jié)構(gòu)支座產(chǎn)生較大變形時(shí)，支座的作用效果就會(huì)受到嚴(yán)重影響，從而降低支座屈服前剛度對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用效果。因此，設(shè)計(jì)人員要控制梁體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移，從而避免橋梁工程可能出現(xiàn)的塌落或是伸縮縫的變形量。在此情況下，橋梁工程的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性就能得到有效保證。設(shè)計(jì)人員要想實(shí)現(xiàn)上述目的，必須保證支座屈服前剛度處在不變的條件下，這樣支座的屈服里變化就能直接反映在橋梁和梁體上的位移變化。此過程，需要設(shè)計(jì)人員明確：當(dāng)支座的屈服力較小、墩頂?shù)奈灰谱冃?，梁體結(jié)構(gòu)的位移就會(huì)變法；而隨著支座屈服力的增加，墩頂?shù)奈灰凭蜁?huì)增加，那么支座的變形量就會(huì)相應(yīng)的減小。那么，當(dāng)梁體的位移得到了有效的控制，橋梁的抗震能力就能得到一定的保證。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，要想提高橋梁結(jié)構(gòu)不受地震作用的影響，相關(guān)建設(shè)人員必須采取減震或是隔震措施，來(lái)實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)作用的穩(wěn)定性。事實(shí)證明，只要梁體的位移量得到了有效控制，就能降低地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成的損壞。

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2016-09-12

王顯斌(1985-)，男，工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。

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1008-3383(2017)02-0110-02