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，但是在地震動作用下，擋塊與主梁會發(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)上再添加一個耗能裝置，通過其在地震動作用下的變形來消耗地震動帶來的巨大的能量，從而實現(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)到消耗因為地震動而引起的能量，從而達(dá)到減弱結(jié)構(gòu)因為地震動而引起的相應(yīng)，起到保護(hù)結(jié)構(gòu)在地震動作用下不被破壞，從而達(dá)到減震控震的目的[2]。截止目前，許多研究學(xué)者都對耗能減震器進(jìn)行了研究，并且我國也針對耗能減震器編制了設(shè)計及施工規(guī)范，但是僅僅是針對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)計工作，周云[3]提出了一些自己的意見與設(shè)計思路：

(1)耗能構(gòu)件或者耗能元器件在結(jié)構(gòu)中的耗能機理相同時，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，利用多個構(gòu)件或元器件共同耗能。

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

(3)耗能構(gòu)件與元器件的設(shè)計思路中可以增加多道防線的設(shè)計思路，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)在地震動作用下的反應(yīng)的功能。

綜合上面的設(shè)計思路，將原先僅起到限位作用的擋塊結(jié)合多道防線的設(shè)計思路，設(shè)計成新型雙重?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，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

橋梁工程在交通運輸領(lǐng)域起著關(guān)鍵性的作用，確保其在地震動作用下仍然能夠有效的運行，對于后期災(zāi)區(qū)的搶險救災(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)計過程中，通常采用剛性防護(hù)的設(shè)計理念，在構(gòu)造、性能、設(shè)計上都缺乏規(guī)范的明確要求，有很大的盲目性，因此需要對其抗震性能作更加深入全面的研究。

3.1 地震動的輸入

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

表1 地震波詳情

考慮到地震動作用的隨機性，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作用下的分析結(jié)果，采用擋塊三條地震波計算結(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，防止梁體因為橫向位移過大而產(chǎn)生落梁現(xiàn)象，但是不能限制梁體正常的移動，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。

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擋塊在地震動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為其受力過大，或者變形過大而破壞，而主梁與擋塊的相對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擋塊在地震動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、工程實例、實驗研究中發(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個等級的剛度值，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 剛度對混凝土擋塊內(nèi)力的影響

圖3 剛度對擋塊壓縮量的影響

圖4 剛度對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。當(dāng)擋塊剛度不大時，擋塊的內(nèi)力隨著擋塊剛度增長的趨勢較為緩慢，當(dāng)擋塊剛度較大時，擋塊內(nèi)力隨著剛度快速增長。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，不是簡單地正負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是因為擋塊剛度的增大，擋塊在地震動作用下受到的能量會增大，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。

3.2.2 初始間隙對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，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，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。說明當(dāng)擋塊的初始間隙較大時，地震動作用下?lián)鯄K與主梁之間的碰撞效應(yīng)較小。

圖6 初始間隙對混凝土擋塊壓縮量的影響

圖7 初始間隙對混凝土擋塊與主梁碰撞力的影響

4 結(jié)束語

對于新型雙重?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。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，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，并且這個值還會受到構(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。