大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁減震設(shè)計(jì)
摘要： 本文對大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁的震動易受損位置的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對有利于此類橋梁抗震設(shè)計(jì)的合理塑性鉸出現(xiàn)的順序進(jìn)行了研究，對橋梁地震位移所響應(yīng)的控制機(jī)理和兩種具體的位移控制裝置進(jìn)行了簡要的介紹，并對兩種位移控制裝置進(jìn)行了分析，闡述了大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁的減震設(shè)計(jì)方法。
Abstract： This paper analyzes the characteristics of the vulnerable position for vibration of large span continuous beam-arch composite system bridges， studies the reasonable appearance order of plastic hinge which is helpful for this kind of bridge seismic design and briefly introduces the control mechanism of bridge seismic displacement and two specific displacement control devices. The two displacement control devices are analyzed. The seismic design method of large span continuous beam-arch composite system bridges is expounded.
關(guān)鍵詞： 粘滯阻尼器；彈性連接裝置；減震設(shè)計(jì)；梁拱組合體系
Key words： viscous damper；elastic coupling device；seismic design；beam-arch composite system
中圖分類號：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）26-0119-02
0 引言
梁拱組合體系橋梁是特殊形式橋梁的一種，既有梁橋的特點(diǎn)也有拱橋的特征。梁拱組合是一種新的結(jié)構(gòu)體系，可以將梁和拱在受力狀態(tài)時的優(yōu)越性充分的顯現(xiàn)出來。從結(jié)構(gòu)的內(nèi)部受力狀態(tài)觀察，通過荷載在梁和拱中所產(chǎn)生的內(nèi)部力量大多數(shù)可以轉(zhuǎn)換成梁和拱之間的自平衡體系相互作用的力。梁的軸向拉力和拱的水平推力可以相互作用，梁和拱的界面總彎矩等效為通常以梁拉和拱壓的形式受力，拱壓力的縱向分力主要是剪力。
天津楊村（現(xiàn)武清縣）的雙龍橋是我國公路橋梁歷史中第一座將梁拱相結(jié)合的橋梁，于1922年建成，是三孔跨徑為20m的下承式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁拱組合橋。隨著我國橋梁設(shè)計(jì)的手段和理論的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種形式的梁拱相結(jié)合的橋梁體系。由于連續(xù)梁拱組合體系的橋梁具有結(jié)構(gòu)輕盈美觀、施工干擾較小、動力性能較好、結(jié)構(gòu)剛度較大等特點(diǎn)，在橋梁設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。三跨連續(xù)梁拱組合體系橋梁主要應(yīng)用在較大跨度的橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以設(shè)計(jì)成外部沒有推力的結(jié)構(gòu)，適用于地基為軟土的地區(qū)，在60m-200m跨度的范圍中使用較為廣泛。由于我國處于多地震帶上，在設(shè)計(jì)大跨度橋梁時需要注意橋梁的抗震安全作用，所以本文對大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁在地震中容易受到損壞的位置特點(diǎn)和減震裝置進(jìn)行了分析，提出大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁的減震設(shè)計(jì)方案。
1 梁拱組合體系橋梁已受損位置的特點(diǎn)
由于連續(xù)梁拱組合體系橋梁的內(nèi)部受力結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以應(yīng)將抗震的重點(diǎn)放在橋梁的支座和下部結(jié)構(gòu)等容易受到損害的位置。連續(xù)梁拱組合體系的橋梁振動特點(diǎn)和梁、墩的約束形式、地震的相應(yīng)有關(guān)，橫橋向各個墩都應(yīng)設(shè)置橫向的限位支座，如發(fā)生橫向地震，可以通過各個墩進(jìn)行分擔(dān)地震力。順橋向，由固定墩對地震力進(jìn)行單獨(dú)的承擔(dān)。所以當(dāng)順向、橫向的地震力產(chǎn)生時，橋梁體系都會發(fā)生損壞。連續(xù)梁拱組合體系橋梁的主要抗震薄弱部位是橋墩與橋體的連接位置、橋墩的基礎(chǔ)位置和橋墩自身，在連續(xù)梁拱組合體系橋梁抗震的設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格重視。按照能力設(shè)計(jì)原理，一般將使用在抗地震側(cè)向力的鋼筋混凝土橋墩設(shè)計(jì)為延性構(gòu)件形式，其余構(gòu)件設(shè)計(jì)為彈性構(gòu)件形式。但是由于橋墩的設(shè)計(jì)需要考慮恒載等靜力的荷載情況，截面能力的設(shè)計(jì)需求較強(qiáng)，很難進(jìn)入塑性。而支座在受到震動后較為容易更換，維修的費(fèi)用較低，所以應(yīng)將支座作為第一順序的塑性鉸，橋墩作為第二順序的塑性鉸，不僅可以降低維修時所需要的費(fèi)用，還可以確保能力保護(hù)構(gòu)件的安全。所以在地震的作用中，應(yīng)允許支座剪切破壞用來保護(hù)其余的構(gòu)件，同時支座的水平剪切強(qiáng)度應(yīng)按照地震響應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保支座在地震時可以按照要求進(jìn)行剪切破壞作用。
使用允許支座剪切破壞的方法可以將上部結(jié)構(gòu)對下部結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行釋放，對橋梁構(gòu)件在地震中不受到破壞影響進(jìn)行保護(hù)，但是需要付出的代價較比上部結(jié)構(gòu)位移增加，所以應(yīng)設(shè)置一定的裝置對上部結(jié)構(gòu)的過大位移進(jìn)行控制，并提供一定的恢復(fù)能力。
2 位移控制裝置和機(jī)理
使用允許支座剪切破壞方式會使梁端發(fā)生較大的地震位移，有兩種方法可以減小梁端的位移變化：加大橋梁結(jié)構(gòu)的'阻尼和適當(dāng)?shù)募哟蠼Y(jié)構(gòu)的鋼度，縮短結(jié)構(gòu)的周期，結(jié)合位移和力的影響設(shè)計(jì)出一個兩全其美的方案。為了對支座剪壞所傳輸?shù)妮^大梁端地震位移進(jìn)行控制，應(yīng)在梁和墩之間加設(shè)減震裝置，主要有兩種：①裝置提供阻尼；②裝置提供縱向剛度。
2.1 阻尼器 阻尼器主要是提供阻尼，種類較為復(fù)雜，主要有流體粘滯阻尼器、摩擦阻尼器、鋼阻尼器、鉛擠壓阻尼器等。在大跨度橋梁中主要使用流體粘滯阻尼器進(jìn)行控制。
2.2 彈性連接裝置 彈性連接裝置主要提供彈性剛度，主要有鋼絞線拉索、大型橡膠支座等，應(yīng)用在限位的液壓緩沖裝置，是彈性連接裝置的一種形式。鋼絞線拉索、大型橡膠支座等彈性連接裝置可以對所有的荷載提供彈性剛度，液壓緩沖裝置對車輛、風(fēng)速較小、溫度變化等較慢作用的荷載不發(fā)生影響，對地震、陣風(fēng)、汽車制動力等急速影響的荷載發(fā)生固定約束影響。 2.3 位移控制裝置參數(shù)的選取 梁、墩連接裝置參數(shù)的合理選取可以有效的對地震位移進(jìn)行控制，所以參數(shù)的合理選擇非常的重要。為了有效的對地震位移進(jìn)行控制所設(shè)置的梁、墩連接裝置在進(jìn)行裝置的具體選擇和參數(shù)的合理選取時，應(yīng)先對地震位移的控制效果進(jìn)行考慮，并結(jié)合其余的荷載需要、裝置的可靠性、安裝的位置、裝置的耐久性、造價等實(shí)際因素進(jìn)行選擇。
2.4 參數(shù)的敏感性 從地震位移控制方面對梁、墩連接裝置進(jìn)行參數(shù)合理選取時，要對參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析，將不同參數(shù)的選取值對地震位移控制的效果進(jìn)行比較。在進(jìn)行位移控制效果和參數(shù)分析時，要對彎矩、墩底剪力、梁端位移進(jìn)行考察。
3 位移控制裝置的效果比較
對所選取的阻尼器和彈性索參數(shù)進(jìn)行非線性時程分析可以看出從橫向，彈性索對位移的控制效果比阻尼器好，從縱向，彈性索和阻尼器的位移控制效果沒有差異。設(shè)置阻尼器或者是彈性索后，不管是橫橋向還是順橋向，使用彈性索后，墩底彎矩和墩底剪力要小于使用阻尼器裝置。
在進(jìn)行有效控制梁端位移的同時，使墩底彎矩和墩底剪力得到大幅度的降低，可有有效的對橋墩的基礎(chǔ)和橋墩進(jìn)行保護(hù)，可以有效的起到減震的作用。在同等位移控制效果的狀態(tài)下，使用彈性索裝置對墩底內(nèi)力方面的控制比阻尼器要好。液體粘滯阻尼器的價格較高，并且容易出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象，使阻尼器的作用無法發(fā)揮，彈性索的價格較為低廉，并且更換、維修較為方便。所以彈性索在大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁減震設(shè)計(jì)中較為常用。
4 總結(jié)
4.1 為了確保大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁的主要構(gòu)件在地震中不受到損壞，應(yīng)將支座的設(shè)計(jì)為第一順序塑性鉸，將橋墩設(shè)計(jì)為第二順序塑性鉸，將其余構(gòu)件設(shè)計(jì)為能力保護(hù)的構(gòu)件。
4.2 在地震的影響下，應(yīng)允許支座剪壞形式，同時要設(shè)置限位裝置用來對較大的地震位移響應(yīng)進(jìn)行控制。
4.3 位移控制裝置主要有兩種，阻尼器和彈性索。阻尼器通過使橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼對結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行控制，并有耗能的功能。彈性索可以適當(dāng)?shù)脑黾咏Y(jié)構(gòu)的剛度，縮短結(jié)構(gòu)的周期，同時對位移和力矩有一定的影響。選取合理的參數(shù)可以使阻尼器和彈性索有效的對結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行控制，但是彈性索較阻尼器更具有耐久性和經(jīng)濟(jì)型的優(yōu)點(diǎn)。
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