公路橋梁減、抗震防落梁系統研究

張建

摘 要：交通運輸部門頒布了《公路橋梁抗震設計規范》，作為公路工程行業的標準規范，其中提到很多關于公路橋梁設計施工環節上的質量標準與安全規范，也全面加強了對公路橋梁減震、抗震功能的設計與規劃。公路橋梁減、抗震防落梁系統的設計能夠在絕大程度上為公路橋梁的安全提到保障作用，在面臨地震災害時也能更好的承受地震災害所帶來的沖擊?；诖耍疚木蛯⑨槍窐蛄簻p、抗震防落梁系統進行詳細的分析與研究。

關鍵詞：防落梁系統;限位裝置;公路橋梁;分析;研究

中圖分類號：U441.3 文獻標識碼：A

0 引言

目前，導致橋梁倒塌的重要原因就是由于橋梁上部結構的落梁倒塌，一旦地震之類的自然災害發生時，地震所產生的力量足夠將結構上的支座沖擊毀壞，上部的結構也會從支承上方脫離墜落。而防落梁系統屬于一種新型的減、抗震設計系統，也是對橋梁加固的最佳方法，防落梁系統主要是由梁擱置長度、限位裝置以及連梁裝置這三個部分組成，最主要的功能就是實質性的阻止公路橋梁的梁支承上方脫離墜落。防落梁系統的設計從某種程度上來說能夠有效抑制震區橋梁在面臨突發災害時所造成的巨大經濟損失與人員損失，也避免了災后救援過程中對附近交通的二次破壞，對于人們的出行以及生命財產安全來說意義非凡。

1 公路橋梁減、抗震理論設計方法

對于人類而言，地震災害一直都是潛在的危險因素之一，地震所引發的災害后果可想而知，地震對于建筑物造成的損壞程度一直都是全人類關注的重點，這也激起了人們對抗震設計理念的應用。在人們對地震動與結構動力特性的理解不斷深化后，在時代的發展下，越來越多的抗震設計理論誕生，這些抗震理論的應用，促使著公路橋梁在面臨地震災害時有了更強的應對能力。

1.1 靜力法

靜力法在抗震設計假設結構的各個部分中與地震力有著大徑相同的振動原理，主要就是將地震運動加速，并引起一定的慣性力，也就是所謂的地震力，也可以視作靜力作用在結構物體上展開結構線彈性的力計算，在這之中可列地震力計算公式：

在此公式中，W是結構總重量，K所代表的是地面運動加速后峰值和重力加速后G的比值，也可稱之為地震系數。

按照動力學角度分析，彈性靜力法在理論中有著一定的局限性，這是由于靜力法將結構動力反應所忽略，導致局限性上調。也就說，只有結構物能相近于剛體時，彈性靜力法才會成立。

1.2 反應譜法

隨著早期反應譜法的概念誕生，也為整個世界創造出來了第一條彈性反應譜曲線，隨著反應譜法的逐漸普及，反應譜法也被應用到結構抗震的設計標準中。而我國的抗震設計一般都是應用的中國科學院工程力學研究所在1973年所提出的標準反應譜，此譜也是按照國內外地震記錄進行的數據匯總所制成的。反應譜法的分析方法可劃分為兩個步驟，第一個就是計算結構內的固有頻率，第二則是計算結構在反應譜法作用下各個周期分段的頻率變化。

另外，反應譜法計算的結果不會涵蓋其它載荷，驗算結構強度時需要計算其它的載荷，剛度大的結構通常都是低階響應下的主要作用，其柔性結構則要更多的考慮高階響應作用。而且，最重要的是，在反應譜法中，阻尼比值越小的結構則其反應就會越大。

1.3 能力設計方法

能力設計方法也被稱為能量設計方法，能力設計法主要包括概念設計的結構布局合理選擇，還需要確定地震中預期引發的彎曲塑性鉸可靠位置，并確立結構的適當塑性耗能機制，更要選定好塑性耗能構建的抗彎曲設計方案，在后續的流程中估算好塑性鉸區界面在發生變形時的最大范圍及承受能力，最后要對整體的塑性鉸區域的構造進行嚴密的計算設計，保障塑性鉸區界面具有延伸性能力。

另外，在常規的靜力強度設計方法相比較下，應用能力設計的方法來設計抗震結構能夠有著明顯的優勢。塑性鉸一般而言只會出現在預定好的結構內，這就可以選擇相對適合的耗能機制，并且預期發生塑性鉸的不同構件都能夠進行專門的設計，還有一點是構件局部的延伸性標準可與結構整體延性標準進行直接關聯，這對結構抗震性能比較時，每個結構與方法之間的關系都有布局，詳見表1。

1.4 公路橋梁擱置長度計算方法分析

對于結構來說，地震動作為一種外加的強迫運動，在其物理意義上所涵蓋的是地震作用在結構中所引起的一種慣性力量，這與靜力荷載極為不同，地震力的大小完全取決于地震動特性，還會取決于結構本身的動力特性，在地震力的強大作用下，因為橋梁自身獨有的構造需求受到限制，像是伸縮縫的設置與截面設置等，其結構在反應中較為復雜。

1.4.1 應用反應譜法分析

在遭到地震時，由于地震的力量慣性，橋梁的結構會產生非線性的變形情況，為了能夠得到結構非線性反應的相似估值，一般可以采用一個線性系統作為替代系統，來替代非線性系統進行運作，并有效利用標準中的彈性反應譜計算，得出結構內的最大地震反應。

1.4.2 橋墩延性能力靜力法分析

通過地震災害調查可知，強烈的地震作用影響下，多數標準展開的抗震驗算并不是完全具有地域強震的能力，但有些結構卻沒有倒塌，所以并沒有產生嚴重的破壞情況，這些結構之所以能夠幸免，是由于結構的初始強度可以進行維持，沒有因為非彈性變形的壓力施加而快速下降，這就證明了具有很好的延性。所以，當前的抗震設計方法也逐漸進行規范，應用了延性抗震的理論，延性抗震理論與強度理論有所不同，它主要是以結構來判定部位的塑性變形，以此來抵抗地震帶來的后續結果，選擇選定部位的塑性變形，不但能夠消耗地震產生的能力，還可以加深結構的使用作用，延長壽命，減小地震反應。

2 阻尼限位裝置分析

2.1 金屬阻尼器

有效的消耗掉地震能力是減少橋梁結構在地震中引發破壞與損壞的關鍵點，采用金屬阻尼器能夠耗散地震能量。一般而言，在地震的強力作用下，橋梁都會遭受到很大壓力，負荷作用極大。在比較其他的阻尼器時，金屬阻尼器的優勢就在于它的造價低廉，耗能的能力穩定強大，在應用時就能夠減小橋梁結構的地震反應，所以在現階段的公路橋梁建造中被廣泛的進行應用和推廣。

隨著科技技術的發展，新型復合式的金屬阻尼器問世，同時制作出來了阻尼器試件，并展開了靜力模擬實驗。通過實驗與相關研究能夠表明，橋梁橫向金屬阻尼器的結構十分簡單、力學性能明確、具有良好的滯回耗能特點，在通過合理有效的設計下，能夠滿足當前公路橋梁結構對抗震性能的基本要求。另外，金屬阻尼器有著較好的減震效果，但在地震的作用下，金屬阻尼器會引發不可恢復的殘余變形，進而導致橋梁上部結構造成不可恢復的殘余變形，這會影響公路橋梁結構在地震后的正常應用。所以，橋梁結構內的金屬阻尼器在每次突發強震以后都必須進行及時的更換翻新。

2.2 粘彈性阻尼器

粘彈性阻尼器屬于一種被動消能的減震控制裝置，最主要的就是依靠粘彈性的滯回消能特點來增加結構內的阻尼，其中與速度有關，這也證明其減震效果相比于位移相關的阻尼器要好很多。彈性阻尼器的構造相對簡單、性能比較優質，而且造價十分低廉，耐久性也很高。

在實際的工程應用中，粘彈性阻尼器也有著一些不足之處，像是變形能力局限、粘彈性材料容易破損等。在相關粘彈性阻尼器的研究過程中，更多的會考慮土結構相互作用對減震效果的直接性影響，通過研究也能發現，地基越軟，土體結構的相互作用降低的減震效果幅度就會增大。所以，基于相互作用影響，實際的系統設計中需要對土體結構的相互作用進行深度的分析與考慮，進而有效對不同場地所適合的阻尼器進行了解，最終達到更加優質的減震效果。

2.3 磁流變阻尼器

磁流變阻尼器屬于一種可控性的流體，是智能材料的一種，磁流變液是經由均勻散布和絕緣母液結合在絕緣母液的電介微粒中所組成。一般來說，在沒有任何磁場的作用下，磁流變液會符合流體力學的基本特征，擁有相對較低的粘度。如果是在磁場較強的作用下，懸浮的顆粒會因為感應特征而逐漸轉變為強磁性，在兩種磁極之間相互沿著磁通線集成鏈的形狀，這時磁流變液也會隨之轉變為粘塑體，呈現出一種類似于固體狀態的力學特征，擁有很強的屈服強度，并且屈服強度伴隨著會隨著磁場內的強度不斷增加。

此外，如果以接觸單元法進行研究磁流變阻尼器的公路橋梁碰撞的半主動控制的方法，就需要對某公路橋梁展開數據值的模擬分析，通過研究分析可得出，橋梁結構在地震的作用影響下，引發的碰撞會累計增加橋梁結構的絕對速度響應。在安裝磁流變阻尼器的半主動控制系統之后，可以明顯減少突發地震后產生的結構動力影響，還會有效消除相鄰結構之間的碰撞影響，其主動控制力很強，具有明顯優勢?，F階段，磁流變阻尼器的應用趨勢良好，雖然本身存在一些缺陷，但不影響磁流變阻尼器的未來發展趨勢。

2.4 液體黏滯阻尼器

液體黏滯阻尼器的基本構造中，是以活塞、油缸缸體、活塞桿、密封件所組成，阻尼器的介質是液態硅油。在活塞缸體內又分為兩個液體，活塞上方的小孔與活塞缸體之間的縫隙會促使兩個液體內的阻尼介質在活塞力的控制下，相互對應流動，也因此產生阻尼力。

當從變形與受力這兩個方面來討論液體黏滯阻尼器在橋梁工程中應用是否能達到減震的效果，而在相關研究中則表明，液體黏滯阻尼器的不同選擇需要考慮參數，參數能夠在不明顯增加結構內減小位移。在實際工程的應用中，因為液體黏滯阻尼器容易導致漏油等問題，所以需要對液體黏滯阻尼器的密封性展開不定期的檢測與維護，如果出現一些破損情況就必須要剛換翻新。

3 限位裝置的結構設計

3.1 限位器設計中的參數

為了能夠有效研究轉變橋梁性能對鉸位移的諸多影響，可建立多個分析模型，在這些模型中，原型包含兩個橋聯、兩個橋臺與一個中間鉸（如圖1所示）。此外，在每個原型橋聯中都是以兩個或者多個橋墩所組成的剛構橋體，在假設上部結構是不能壓縮后，橋梁參數就會產生變化。

在這之中，每個模型參數的影響都會通過每次轉變后，改變一個現有參數并用在非線性動力時程的分析方法中進行評價。

3.2 限位器裝置安裝位置

面對一些具有特殊抗震設計的需求的重要公路橋梁或者是位于地震板塊幅度較大地區的橋梁，需要應用限位裝置對抗震進行加固，這是一種十分優質的方法。在應用限位裝置時，最關鍵的問題就是裝置型號選擇與位置設計，在選擇耗能型的限位裝置時，會涉及到限位器的有效空間，并且還會與結構內的連接和位移情況有關。

另外，在簡單的支梁橋中，橋墩梁之間相互對應的位移是控制不了引發落梁后的重要參數轉變的，所以就必須針對不同公路橋梁的實際情況，選擇一些適合橋墩梁之間優質的限位器進行安裝，而限位器安裝位置的規范在各國之間的標準基本相同。

3.3 限位器結構設計重點

一般來說，橋梁支座的抗震能力無法抵抗L2級別的地震時，就需要對橋梁安裝限位器裝置，限位器裝置與橋梁支座能夠一起抵抗L2級別的地震能力，這樣聯合應用也是有效補充了支座抵抗地震能力時的不足。而對于限位器結構設計的重點來說，必須要遵循和考慮到以下幾個方面：

（1）限位器裝置與連梁裝置會在地震的不同情況下有著不同的設計標準，這也就表明兩種裝置在作用生效的時間上也各有差別。

（2）限位器裝置不能損壞支座經由溫度與活荷載引發的移動、轉動等相關功能，無法影響到支座的維修與管理，并且限位器與連梁裝置在面對地震時必須起到一定的減震作用，兩者開始動作的時間與變量各有不同，限位器無法妨礙連梁裝置的主要功能。

（3）當橋梁支座突然發生破損時，限位裝置則是用來防止上、下部結構產生較大相對變位的，所以設計間隙必須要和支座變形能力相近。

4 公路連梁裝置設計與理論分析

4.1 公路連梁裝置理論分析

面向抗震設計，人們對于不同地區的地震會按照發生的概率展開不同的分類，在伸縮縫處需要提供足夠的支承寬度，這也說明當不應用連梁裝置的情況下，也能夠有效規避掉落梁的情況發生。

但是，因為地震輸入的特性中存在很大的不確定因素，就算是對伸縮縫進行了相對唯一的保守假設，也會在實際情況中因為難以預測或者難以計算而造成周圍地基的損壞，甚至是結構構件功能造成嚴重的損失，地震力與位移超出預期范圍后，橋梁就會損壞，這些因素都是難以預測的情況。因此，作為另外一種保護性的方法，公路橋梁就必須要安裝連梁裝置來保護橋梁安全。

4.2 公路橋梁連梁裝置的構造

關于連梁裝置的選用，一般需要考慮相鄰垂直橋軸方向有可能引發相對移動引發的各種情況，要選擇梁間拉索連接裝置。當選擇鋼板式連梁裝置時，必須考慮梁處于懸吊狀態下鋼板所能承受的梁體重量。

在無法設置梁間連接形式的連梁裝置時，必須要選擇橋軸方向擋塊，也或者選擇梁下部結構連接的連梁裝置。而且，梁與下部結構的連接裝置必須要能承受住橋梁向上的地震力，并能夠與其它類型的連梁裝置共同應用，也無須以其它的方法來防止橋梁豎向移動。面對相鄰的結構形式，或者是規模差別較大的橋梁，上部結構的移動量差別有著一定距離，會產生現有固定周期與相位差的巨大影響。面對這樣的情況，需要有效規避應用梁間連接的構造，必須選擇橋軸方向擋塊和梁與下部結構連接的這類裝置。

另外，連梁裝置的設置需要硬性的考慮到橋臺、支撐部位以及橋墩位置的安全檢測情況，深入了解這些位置是否進行了定期的維修與管理，或者有沒有此類需求。

4.3 公路橋梁連梁裝置構造對緩沖橡膠的性能影響

一般來說，帶有限制橡膠變形緩沖盒的連梁裝置中的緩沖橡膠會在遭受到壓力之后引發大范圍變形，橡膠也會逐漸充滿緩沖盒子的全部空間，如果持續受到壓力疊加，橡膠就會一直處于在三向受壓的狀態中，并會放任狀態一直增加不減。而隨著壓力與能量的不斷增大，橡膠不可避免的就會發生塑性變形，因為受到擠壓，而從鋼盒的縫隙中溢出，所吸收和消耗地震沖擊帶來的巨大能量，這樣鋼棒與拉索的拉力也能夠持續平穩的增大。

在與傳統的連梁裝置相互比較下，在同樣的環境中造成變形時所承受的荷載會相對大很多，吸收的能力也更高。傳統普通型的連梁裝置在經過緩沖后，橡膠就會引發變形，而此時只是會保持在一種兩向受壓的環境中，變形在橫向結構中不受任何約束，所以在相同的變形條件下實現與帶緩沖盒的連梁裝置一致的荷載力量，這就必須要增加緩沖橡膠塊的面積。

由上可知，帶緩沖盒的連梁裝置可以選擇較小的緩沖橡膠塊，以此實現普通型連梁裝置也能有著大橡膠塊的能力作用，也可實現連梁裝置的工作小型化，最終達到良好的減震與緩沖效果。

此外，在相關研究中表明，結構相互作用下，能明顯提高橋梁的減震效果，而橡膠緩沖裝置也能夠有效的減小橋梁結構之間的擠壓與碰撞，不過仍然需要注意，天然的橡膠在耐久性方面的效果并不理想。為了有效克服這樣一個應用缺陷，在近年來的發展中研制出了一種全新型的減震裝置：“形狀記憶合金人工橡膠緩沖器”。在相關研究人員通過縮尺比例1∶30的模型試驗對新型的減震裝置的減震性能進行模擬與分析時，發現這種新型的減震裝置不但能夠顯著減小連梁之間的碰撞幅度，還可以顯著消除碰撞所產生的巨大應力波動。

4.4 緩沖材料對梁間的沖突影響分析

關于梁間碰撞或者是主梁及橋臺，在墻體碰撞下都屬于橋梁結構較為常見的震害情況，這種碰撞行為一般會引發各類的危險情況，如主梁梁端開裂、伸縮縫擠壓等，這類情況都會對橋梁結構造成輕微的破壞，但一些情況下，碰撞還會引發橋梁結構嚴重的落梁破壞。

為了能夠達到防落梁系統緩沖裝置的小型化，并在具有小型化的同時擁有良好的吸能性能標準，很多學者對不同材質及形狀的組合展開了詳細的研究。其中，運用鋼型制作了四種鋼制緩沖裝置進行試驗操作，在試驗后認為鋼制裝置和橡膠緩沖材料的相互比較下，有著較高的吸能性能，這也表明了該材料有著良好的緩沖效果。另外也有學者針對蜂窩型與圓筒型這兩種構造的橡膠緩沖裝置展開了靜壓縮試驗，通過靜壓縮實驗表明，蜂窩型與圓筒型這兩種構造的橡膠緩沖裝置也具有一定的吸能特性，為了更加深入的了解，對緩沖裝置的動態特性進行了研究，并對蜂窩型緩沖裝置采取了沖擊試驗，這樣一來就會更為細致的了解到性能對溫度的依賴程度和對沖擊次數的頻率影響，在此基礎上提出了參照能量守衡原理展開蜂窩型緩沖裝置的設計的規劃與設計。

總結緩沖材料對梁間的沖突影響，可以細致的規劃為以下四點：

（1）圓筒型緩沖裝置和普通緩沖裝置相比較下，具有十分顯著的效果，最主要的就是體現在對于能量的吸收，從這一點不難看出其緩沖裝置的作用較為理想。

（2）在相同的條件下，所設置的緩沖裝置與不設置的緩沖裝置相比較后，橋墩的塑性變形逐漸減小，并且設置圓筒型緩沖裝置時也是最小。

（3）所設置的緩沖裝置和不設置緩沖裝置相比較后，橋梁之間的相對變位會顯著減小，并且每個相鄰的最大變位都趨向相同。

（4）普通的緩沖裝置的耗能較為有限，在計入耗能與否后，對計算結果的影響其實并不大。

5 結束語

綜上所述，公路橋梁的使用對于出行車輛及人員來說有著十分重要的安全影響，在面臨各種突發性的地震災害時，公路橋梁的質量及安全性能將會對橋梁本身起到不同程度的保護作用，而防落梁系統是在發生大地震時，為防止公路橋梁坍塌而設計出來的一種顯著減、抗震的優質措施，其中包括著梁擱置長度、連梁裝置以及限位器裝置這三個部分，在對防落梁系統的設計與研究中必須要深度考慮到這三個裝置的重要性作用。目前，在公路橋梁防落梁系統的重要研究與分析中提出了很多關于多種橋梁防碰撞與防落梁的措施與裝置，這些措施與裝置的提出和規劃都是更好的保護公路橋梁在遭受到大地震時能夠更好的保障橋梁整體不會被沖擊，這也是在全面提升公路橋梁的安全質量，同時也在響應著《公路橋梁抗震設計規范》的全新要求。因此，防落梁系統的設計與研究能夠更好的保障公路橋梁質量安全，有效保障人們的生命財產安全。

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