分析橋梁結構地震碰撞效應及防落梁措施

秦思楊

（招商局重慶交通科研設計院有限公司 400067）

分析橋梁結構地震碰撞效應及防落梁措施

秦思楊

（招商局重慶交通科研設計院有限公司 400067）

針對橋梁結構地震碰撞效應以及相關防落梁措施進行分析，首先提出了橋梁結構中接觸面碰撞問題；其次分析了相鄰橋梁結構中的地震碰撞理論。結合這些內容，闡述了減輕碰撞及防止落梁的有效措施，其中包括調節橋梁縫寬度，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，總結出要想保證地震碰撞帶來的影響被降低，就需要對相關技術進行深入分析，從而得出最佳方案。

橋梁結構；地震碰撞效應；接觸面

當下，對接觸面碰撞問題進行分析主要有三種方法：分別是恢復系數法、基礎單元法以及拉格朗日乘子法。其中恢復系數法屬于一個較為傳統的方法，其主要是根據動力守恒定律對兩個質點的碰撞進行分析，根據其狀態對碰撞后的速度做出判斷，對恢復系數法以及摩擦系數法，進行彈性或者塑性碰撞以及接觸面具備的光滑性做出適當的模擬。恢復系數法可以對兩個鋼體之間的碰撞問題進行處理，其物理概念相對清楚、算法也較為簡單。

1.橋梁結構接觸面碰撞問題

相關研究表明：一方面，對橋梁設計進行規范過程中，相鄰的橋跨結構應當有相近基礎頻值，進而對相鄰橋跨之間產生的不同步振導致橋梁發生碰撞做出防范，只有不對樁土的相互作用進行考慮，同時不考慮空間變化的效應，才能保證其有效性。第二方面，發生碰撞后，往往會造成橋墩的彎矩減小，剛性地基上具備橋跨結構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置的新型位移模數式伸縮縫的橋梁來說，當相鄰橋跨基頻之間存在的比值在1.85-1.15的范圍內時，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，相鄰跨之間產生的基頻比數量較為相近時，其也提升了對最小伸縮縫寬度的要求[1]。

2.相鄰橋梁結構地震碰撞理論

對較為簡單的兩自由模型進行自由碰撞的研究，發現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，將具有相同結構參數的彈性以及塑性體系之間進行比較，得出的相關參數表明，非彈性結構所產生的最大位移和彈性結構性所產生的最大位移大，但是其具備的最大速度以及碰撞次數均有所減弱。對多跨混凝土的箱梁橋所承擔的碰撞效應進行分析，分析結果顯示，經過碰撞后，會產生很大的碰撞力，但所產生的這些力不會有所轉移，這些碰撞往往會導致墩頂所產生的位移減小。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 調節橋梁縫寬度

為了避免碰撞的發生，最為直接的辦法便是為相鄰的結構提供足夠的間隙距離。相關學者針對這一問題進行研究，其結果表明，間隙之間產生的碰撞力小，碰撞所產生的力度大；間隙小的碰撞次數過大，其碰撞力小。縫隙之間間距較大或者較小時，其對結構所產生的反應影響就越小，但是當縫隙之間間距不大不小時，對橋墩受力帶來的影響就越大。當橋縫過寬，伸縮縫兩側梁體之間可能會出現相對獨立的震動，進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，適當的增加伸縮縫的寬度，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。所以，減小碰撞帶來的影響，不能只靠對伸縮縫的調節來控制[2]。

3.2 在梁件安裝緩沖材料

在碰撞能夠接觸的位置適當的安裝連接桿、阻尼器以及硬橡膠緩沖墊以及可壓縮裝置等，并對碰撞措施等進行了適當的分析和探討。經過研究發現，對連接管和阻尼器進行安裝的過程中，如果連接管剛度過大或阻尼器阻尼過大的情況下，才能發揮最大效果，但是對于這種大剛度或者高阻尼的連接構建來說，幾乎將上部結構變成連續體系，采用這樣的方式使梁體從溫度和混凝土收縮徐變方面產生的影響存在較大內力，進而嚴重影響梁體。將一種可壓縮裝置安裝在梁間，當罕見地震發生時，這一裝置出現碰撞時會被壓碎，進而增加了梁體的運動空間，防止發生碰撞，但是對結構進行分析后表明，因為壓碎裝置產生的塑性變形所產生的能量并不大，起著主要作用的當壓碎裝置被破壞后的梁體震動所耗費的能量。此外，對橡膠緩沖墊進行安裝，可以使橋底的彎矩和臨梁之間所產生的碰撞力被減小。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進行降低，通過這一裝置，在因為溫度導致的變形情況下，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。當各個支承處的震動較小，并且相位所產生的變化和結構中存在的基本陣型不同時，需要搭接的長度就越大。但是當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到最大。另外，對連梁裝置問題進行分析，進行固定支座和滑動支座進行區分。利用驗算固定支座受力和滑動支座所產生的位移進行是否需要限時器的判斷。首先，對限時裝置使用數量進行假定；其次對約束系統的位移進行科學預算。然后對限位裝置中的應力進行驗算，將其控制在受力彈性的范圍內。

結束語：

為了使地震中產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行分析十分重要。產生碰撞的直接原因主要是相連橋跨之間出現的位移超出了伸縮縫處的允許間隙。在橋梁的機構中，導致這種相對位移發生的主要原因是，相鄰橋跨的剛度和質量分布的不同導致動力特性不一致，在發生地震過程中出現不同的震動，進而出現相應的碰撞。另外，導致碰撞發生的主要因素還有樁土之間產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].南京工業大學學報(自然科學版),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研究[J].鐵道學報,2012,12:102-109.

U45

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1007-6344（2016）03-0089-01

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