新型雙重?fù)鯄K構(gòu)造及地震反應(yīng)分析

魏冠華

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

1 橫橋向雙重?fù)鯄K構(gòu)造

在目前的關(guān)于橋梁橫橋向限位裝置的設(shè)計(jì)與研究中，絕大部分的限位裝置采取的形式都是混凝土擋塊或者鋼擋塊，但是在地震動(dòng)作用下，擋塊與主梁會(huì)發(fā)生激烈的碰撞反應(yīng)，導(dǎo)致主梁與擋塊之間產(chǎn)生巨大的碰撞力，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)鯄K發(fā)生破壞[1]。因此需要考慮一種消散這種巨大能量的耗能方式，減小碰撞力對(duì)擋塊的影響，因此需要在原先單一擋塊的基礎(chǔ)上再添加一個(gè)耗能裝置，通過其在地震動(dòng)作用下的變形來消耗地震動(dòng)帶來的巨大的能量，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)擋塊不被破壞，耗能減震的效果。

2 雙重?fù)鯄K的設(shè)計(jì)思路

耗能減震器是放置在結(jié)構(gòu)的某些位置上的耗能構(gòu)件或者元器件，它的作用機(jī)理就是通過耗能構(gòu)件或者元器件在地震作用下的變形能力來達(dá)到消耗因?yàn)榈卣饎?dòng)而引起的能量，從而達(dá)到減弱結(jié)構(gòu)因?yàn)榈卣饎?dòng)而引起的相應(yīng)，起到保護(hù)結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下不被破壞，從而達(dá)到減震控震的目的[2]。截止目前，許多研究學(xué)者都對(duì)耗能減震器進(jìn)行了研究，并且我國也針對(duì)耗能減震器編制了設(shè)計(jì)及施工規(guī)范，但是僅僅是針對(duì)其提出了一些原則性的要求和指導(dǎo)意見。

關(guān)于耗能減震器的設(shè)計(jì)工作，周云[3]提出了一些自己的意見與設(shè)計(jì)思路：

(1)耗能構(gòu)件或者耗能元器件在結(jié)構(gòu)中的耗能機(jī)理相同時(shí)，可以通過增加耗能構(gòu)件或者元器件的數(shù)量來達(dá)到增大耗能性能，利用多個(gè)構(gòu)件或元器件共同耗能。

(2)在同一個(gè)耗能構(gòu)件或者元器件中可以利用多種耗能思路與機(jī)制，通過幾種不同的耗能思路與機(jī)制來達(dá)到增大耗能性能的目的。

(3)耗能構(gòu)件與元器件的設(shè)計(jì)思路中可以增加多道防線的設(shè)計(jì)思路，設(shè)置多道耗能減震器。

(4)耗能構(gòu)件和元器件應(yīng)該具備隨著不同等級(jí)的地震響應(yīng)而可以進(jìn)行自主調(diào)節(jié)與更換的作用。

(5)新型的耗能減震器應(yīng)當(dāng)具備在地震動(dòng)作用下放大結(jié)構(gòu)的位移的功能、擴(kuò)大裝置的耗能效果的功能、減小結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的反應(yīng)的功能。

綜合上面的設(shè)計(jì)思路，將原先僅起到限位作用的擋塊結(jié)合多道防線的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)成新型雙重?fù)鯄K的結(jié)構(gòu)形式[4]，擋塊的示意圖如圖1所示，在原先單一的擋塊與主梁之間加入一個(gè)耗能擋塊，作為耗能構(gòu)件。原先的擋塊在地震作用下的耗能性能可以忽略不計(jì)，僅起到限制主梁過大位移，防止主梁落梁的發(fā)生的功能；耗能擋塊起到在地震作用下消耗能量的作用。

圖1 新型雙重?fù)鯄K構(gòu)造示意

3 橫橋向雙重?fù)鯄K地震反應(yīng)分析

橋梁工程在交通運(yùn)輸領(lǐng)域起著關(guān)鍵性的作用，確保其在地震動(dòng)作用下仍然能夠有效的運(yùn)行，對(duì)于后期災(zāi)區(qū)的搶險(xiǎn)救災(zāi)工作起著至關(guān)重要的作用。而在橋梁結(jié)構(gòu)中，簡(jiǎn)支梁是橋梁中最為重要的結(jié)構(gòu)類型，因此保證其在地震作用下結(jié)構(gòu)不被破壞是很重要的。橋梁結(jié)構(gòu)在震害中最為嚴(yán)重的破壞形式就是主梁發(fā)生落梁，而引起落梁的最主要的原因就是橋梁結(jié)構(gòu)橫橋向擋塊的破壞。而在目前的橋梁工程的建設(shè)過程中，往往忽略擋塊在地震動(dòng)作用下的限位功能，而且目前國內(nèi)外的橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，通常采用剛性防護(hù)的設(shè)計(jì)理念，在構(gòu)造、性能、設(shè)計(jì)上都缺乏規(guī)范的明確要求，有很大的盲目性，因此需要對(duì)其抗震性能作更加深入全面的研究。

3.1 地震動(dòng)的輸入

為了保證結(jié)構(gòu)的安全性，本課題選取了三條實(shí)際發(fā)生過的地震波進(jìn)行抗震分析，對(duì)峰值加速度進(jìn)行調(diào)整，取為0.4g。地震波詳情見表1。

表1 地震波詳情

考慮到地震動(dòng)作用的隨機(jī)性，根據(jù)我國現(xiàn)行橋梁抗震規(guī)范的規(guī)定,本文中關(guān)于橫橋向擋塊地震動(dòng)作用下的分析結(jié)果，采用擋塊三條地震波計(jì)算結(jié)果中的最大值。

3.2 橫向碰撞影響參數(shù)分析

擋塊的作用是為了限制梁體過大的橫向位移，防止梁體因?yàn)闄M向位移過大而產(chǎn)生落梁現(xiàn)象，但是不能限制梁體正常的移動(dòng)，從而影響橋梁支座的正常使用。因此擋塊與梁體之間要預(yù)留一定的間隙以便梁體正常的自由移動(dòng)。

擋塊在地震作用下的性能主要由擋塊自身尺寸，最主要的為擋塊與主梁間的間隙的大小，即初始間隙，擋塊自身的剛度所影響[5]。因此探討擋塊的剛度、初始間隙的大小等擋塊自身性能對(duì)擋塊在地震動(dòng)作用下的抗震性能有著至關(guān)重要的作用。擋塊的破壞主要是因?yàn)槠涫芰^大，或者變形過大而破壞，而主梁與擋塊的相對(duì)位移即為擋塊與主梁的間隙與擋塊壓縮量之和。因此本課題主要討論不同擋塊性能對(duì)擋塊在地震動(dòng)作用下與主梁的碰撞力、擋塊的內(nèi)力、擋塊的壓縮量的影響。

3.2.1 剛度對(duì)擋塊抗震性能的影響

通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研工作發(fā)現(xiàn)，在關(guān)于擋塊抗震的數(shù)值模擬分析、工程實(shí)例、實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，擋塊剛度的取值絕大部分分布在104～107N/m之間，根據(jù)課題研究需要取9個(gè)等級(jí)的剛度值，分別為2.5×104N/m、4×104N/m、2.5×105N/m、4×105N/m、2.5×106N/m、4×106N/m、2.5×107N/m、4×107N/m、2.5×108N/m。為了保持單一變量，擋塊厚度取為0.4m，擋塊與主梁的間距取為0.3m。

不同剛度擋塊的抗震性能分析結(jié)果見表2～表4、圖2～圖4。

表2 擋塊剛度與擋塊內(nèi)力的關(guān)系

表3 擋塊剛度與擋塊壓縮量的關(guān)系

表4 擋塊剛度與擋塊和主梁碰撞力的關(guān)系

圖2 剛度對(duì)混凝土擋塊內(nèi)力的影響

圖3 剛度對(duì)擋塊壓縮量的影響

圖4 剛度對(duì)混凝土擋塊與主梁碰撞力的影響

從圖2與表2中可以看出隨著土擋塊剛度的增大，混凝土在地震作用下的內(nèi)力也呈增大趨勢(shì)。當(dāng)擋塊剛度不大時(shí)，擋塊的內(nèi)力隨著擋塊剛度增長(zhǎng)的趨勢(shì)較為緩慢，當(dāng)擋塊剛度較大時(shí)，擋塊內(nèi)力隨著剛度快速增長(zhǎng)。從圖3與表3可以看出，擋塊在地震作用下的壓縮量與擋塊的剛度的關(guān)系很復(fù)雜，不是簡(jiǎn)單地正負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)閾鯄K剛度的增大，擋塊在地震動(dòng)作用下受到的能量會(huì)增大，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)力增大，而壓縮量為受力與剛度的比值，則變化并不規(guī)律。從圖4與表4中可以看出，隨擋塊剛度的增大，地震作用下?lián)鯄K與主梁間的碰撞力也呈增大趨勢(shì)。

3.2.2 初始間隙對(duì)擋塊抗震性能的影響

根據(jù)課題要求選取5種不同的初始間隙探討擋塊與主梁的初始間隙對(duì)擋塊抗震性能的影響，初始間距分別為0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m。為了保持單一變量，擋塊厚度取為0.4m，擋塊的剛度取為2.5×104N/m。

不同初始間隙擋塊的抗震性能分析結(jié)果(表5～表7、圖5～圖7)。

表5 擋塊初始間隙與擋塊內(nèi)力的關(guān)系

表6 初始間隙與擋塊壓縮量的關(guān)系

表7 初始間隙與擋塊和主梁碰撞力的關(guān)系

圖5 初始間隙對(duì)混凝土擋塊內(nèi)力的影響

從表5與圖5中可以看出隨著擋塊與主梁初始間隙的增大，擋塊的內(nèi)力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，從表7與圖7中可以看出初始間隙的增大，混凝土與擋塊的碰撞力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，從表6和圖6中可以看出隨著初始間距的增大，混凝土擋塊的壓縮量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。說明當(dāng)擋塊的初始間隙較大時(shí)，地震動(dòng)作用下?lián)鯄K與主梁之間的碰撞效應(yīng)較小。

圖6 初始間隙對(duì)混凝土擋塊壓縮量的影響

圖7 初始間隙對(duì)混凝土擋塊與主梁碰撞力的影響

4 結(jié)束語

對(duì)于新型雙重?fù)鯄K來說，增大擋塊的剛度雖然能在一定范圍之內(nèi)限制主梁與擋塊的相對(duì)位移，減小擋塊的壓縮量，但是其他范圍之內(nèi)其關(guān)系并不統(tǒng)一，而且較大的擋塊會(huì)導(dǎo)致?lián)鯄K自身受力過大、擋塊與主梁的碰撞力過大，從而導(dǎo)致?lián)鯄K的破壞，產(chǎn)生落梁的風(fēng)險(xiǎn)。適當(dāng)?shù)脑龃笾髁号c擋塊的初始間隙，可以起到減小地震作用下主梁與擋塊的碰撞效應(yīng)的作用，起到保護(hù)抗震擋塊裝置的效果，但是當(dāng)初始間隙較大時(shí)，擋塊的限位作用為減弱，導(dǎo)致主梁在地震作用下過大的位移，并且這個(gè)值還會(huì)受到構(gòu)造要求的影響，使其數(shù)值較小。因此總的來說擋塊與主梁的初始間隙不宜太大。