防屈曲支撐在橋梁工程減震體系中的應(yīng)用現(xiàn)狀

馬明健

（上海建科工程咨詢有限公司山東分公司，山東 青島 266000）

防屈曲支撐技術(shù)由于其卓越的抗震性能，在現(xiàn)代橋梁工程中獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在地震敏感區(qū)域。這種技術(shù)通過獨(dú)特的設(shè)計(jì)，能有效地防止結(jié)構(gòu)在地震力作用下發(fā)生屈曲，從而顯著提高橋梁的耐震性能。本文的目的在于深入分析防屈曲支撐在橋梁減震系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用，探討其設(shè)計(jì)原則、實(shí)施策略及與橋梁整體結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)。通過對(duì)防屈曲支撐技術(shù)的綜合評(píng)估，旨在為橋梁工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，以及對(duì)未來該技術(shù)發(fā)展的方向提出預(yù)測(cè)。

1 防屈曲支撐技術(shù)概述

1.1 技術(shù)原理與特點(diǎn)

防屈曲支撐技術(shù)的核心原理是利用特殊設(shè)計(jì)的支撐元件，在承受壓縮力時(shí)避免屈曲現(xiàn)象，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。這種支撐結(jié)構(gòu)通常由鋼材制成，核心部分被特殊材料包裹，以確保在強(qiáng)震作用下不會(huì)發(fā)生屈曲失效。這種設(shè)計(jì)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其高能量吸收能力，能夠在地震中吸收并消散大量的能量，減少結(jié)構(gòu)的震動(dòng)。另一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是其高度的可重復(fù)使用性。與傳統(tǒng)的抗震元件相比，防屈曲支撐在地震后不需要替換，可以重復(fù)使用，顯著降低了長(zhǎng)期的維護(hù)成本。由于其結(jié)構(gòu)緊湊，使得在現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)中的集成和應(yīng)用變得更加方便，為橋梁設(shè)計(jì)師提供了更多靈活性。

1.2 發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

防屈曲支撐技術(shù)的發(fā)展始于20 世紀(jì)后半葉，最初用于提高高層建筑的抗震性能。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展到了橋梁工程領(lǐng)域。在過去的幾十年中，由于其出色的減震性能和經(jīng)濟(jì)效益，防屈曲支撐已成為橋梁抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。當(dāng)前，防屈曲支撐技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在地震活躍區(qū)域如日本、加州和中國(guó)等地。許多新建和改造的橋梁項(xiàng)目都采用了這種技術(shù)，以提高其在極端地震條件下的安全性和可靠性。研究和實(shí)踐證明，防屈曲支撐不僅能顯著提升橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，還能減少地震對(duì)橋梁正常使用和維護(hù)的影響。防屈曲支撐技術(shù)作為橋梁工程中的一種創(chuàng)新減震手段，已經(jīng)顯示出其巨大的應(yīng)用潛力和價(jià)值，預(yù)計(jì)未來將在更多的橋梁工程中得到應(yīng)用和發(fā)展。

2 防屈曲支撐在橋梁工程中的應(yīng)用

2.1 橋梁設(shè)計(jì)中的集成

在橋梁工程設(shè)計(jì)階段，防屈曲支撐（BRB）的集成是一項(xiàng)復(fù)雜而精細(xì)的工作[1]。這種支撐系統(tǒng)被引入主要是為了優(yōu)化橋梁在地震等自然災(zāi)害中的減震性能，尤其是在地震敏感區(qū)域的應(yīng)用尤為關(guān)鍵。設(shè)計(jì)師在考慮防屈曲支撐集成時(shí)，需要綜合考慮多種因素，如橋梁的類型、尺寸、預(yù)期的交通負(fù)荷、地理位置以及潛在的地震風(fēng)險(xiǎn)。為了最大化其減震效果，設(shè)計(jì)過程通常涉及動(dòng)力學(xué)模擬和結(jié)構(gòu)分析的綜合應(yīng)用，這有助于預(yù)測(cè)和評(píng)估在地震等自然災(zāi)害影響下橋梁的響應(yīng)和表現(xiàn)。除了基本的設(shè)計(jì)考慮，還需要仔細(xì)評(píng)估防屈曲支撐系統(tǒng)與橋梁其他結(jié)構(gòu)組件之間的相互作用，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。這包括對(duì)支撐系統(tǒng)連接點(diǎn)的分析，以及對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)在各種負(fù)載情況下的穩(wěn)定性評(píng)估。在設(shè)計(jì)過程中，還需考慮防屈曲支撐的維護(hù)性和可升級(jí)性。這意味著在設(shè)計(jì)支撐系統(tǒng)時(shí)，不僅要考慮當(dāng)前的技術(shù)和應(yīng)用要求，還要預(yù)見到長(zhǎng)期的使用需求和可能的技術(shù)進(jìn)步。例如，設(shè)計(jì)中可能包括允許將來更換或升級(jí)部件的特性，以便適應(yīng)不斷變化的工程標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)發(fā)展。考慮到不同地區(qū)的環(huán)境和氣候條件，設(shè)計(jì)防屈曲支撐時(shí)還應(yīng)考慮其對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，如耐腐蝕性和耐極端溫度的能力。防屈曲支撐的設(shè)計(jì)和集成還需要考慮施工的實(shí)際可行性，確保在橋梁建設(shè)階段可以有效而安全地安裝這些關(guān)鍵的減震組件[2]。通過這樣全面而深入的設(shè)計(jì)考量，防屈曲支撐能在提升橋梁的整體性能和安全性方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

2.2 典型工程案例分析

全球范圍內(nèi)，已有多個(gè)橋梁工程成功集成了防屈曲支撐系統(tǒng)，這些案例為未來的工程設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和啟示。例如，在地震頻發(fā)的日本，許多橋梁采用了BRB 系統(tǒng)以提高其抗震能力。這些案例中，防屈曲支撐的應(yīng)用不僅提高了橋梁在地震中的安全性，還確保了在地震后快速恢復(fù)正常使用。通過分析這些工程案例，可以發(fā)現(xiàn)防屈曲支撐在不同類型的橋梁結(jié)構(gòu)中的適用性，包括懸索橋、拱橋和梁橋等。這些案例分析還揭示了BRB 系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，如材料的選擇、支撐的尺寸和形狀設(shè)計(jì)以及與橋梁其他結(jié)構(gòu)組件的協(xié)調(diào)。通過這些成功的案例，可以為未來橋梁工程中防屈曲支撐的更廣泛應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

3 防屈曲支撐的性能評(píng)估

3.1 力學(xué)性能分析

力學(xué)性能是評(píng)估防屈曲支撐（BRB）效能的關(guān)鍵指標(biāo)，這些性能參數(shù)直接影響了BRB 在減震體系中的有效性和可靠性。在力學(xué)性能的分析中，主要關(guān)注點(diǎn)包括支撐結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度以及能量耗散特性。這些特性共同決定了BRB 在遭受地震等外力作用時(shí)的響應(yīng)和穩(wěn)定性。防屈曲支撐的設(shè)計(jì)使其能在地震等動(dòng)態(tài)負(fù)荷作用下有效地承受軸向負(fù)荷而不發(fā)生屈曲，從而保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)不受重大損害。防屈曲支撐之所以能夠有效工作，是因?yàn)槠鋬?nèi)部設(shè)計(jì)有一種特殊的機(jī)制，這種機(jī)制可以防止在承受重載時(shí)發(fā)生屈曲，確保力在支撐內(nèi)均勻分布。這種設(shè)計(jì)通常涉及使用一種核心材料，如鋼或其他合金，這些材料能夠在高應(yīng)力條件下保持穩(wěn)定。在進(jìn)行力學(xué)性能分析時(shí)，不僅要考慮BRB 本身的材料和幾何形狀，還要關(guān)注其與橋梁其他部分的連接方式，以確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。除了考慮BRB 的初始性能，還必須評(píng)估其在長(zhǎng)期使用中的疲勞強(qiáng)度和耐久性[3]。這包括對(duì)BRB在變化的環(huán)境條件（如溫度波動(dòng)、濕度變化、鹽霧腐蝕等）下的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估，以及其在重復(fù)負(fù)載下的性能保持能力。了解這些長(zhǎng)期性能參數(shù)對(duì)于確保BRB 在其整個(gè)使用壽命期間保持高效和安全至關(guān)重要。研究BRB 在不同類型的橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也是重要的，這有助于更好地理解其在各種設(shè)計(jì)和負(fù)載條件下的表現(xiàn)，為未來的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供更多的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)BRB的全面分析和持續(xù)研究，可以不斷優(yōu)化其設(shè)計(jì)，提高其在橋梁工程中的應(yīng)用效率和安全性。

3.2 抗震效果評(píng)價(jià)

抗震效果評(píng)價(jià)是防屈曲支撐性能評(píng)估的另一個(gè)重要方面。這一評(píng)價(jià)不僅考察支撐本身的性能，還包括其對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力的貢獻(xiàn)。評(píng)價(jià)過程中，通常會(huì)采用地震模擬測(cè)試，通過模擬不同強(qiáng)度和特性的地震波，來觀察防屈曲支撐在實(shí)際地震情況下的表現(xiàn)。這包括監(jiān)測(cè)支撐在地震作用下的位移、應(yīng)力分布以及能量耗散情況。還需評(píng)估BRB 在減少橋梁整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的效果。通過這些評(píng)價(jià)，可以更全面地理解防屈曲支撐在實(shí)際工程應(yīng)用中的抗震性能，從而為其設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

4 防屈曲支撐設(shè)計(jì)與施工中的挑戰(zhàn)

防屈曲支撐系統(tǒng)（BRB）在橋梁設(shè)計(jì)和施工中面臨的一大挑戰(zhàn)是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和對(duì)特定項(xiàng)目需求的適應(yīng)性，BRB 系統(tǒng)與橋梁整體設(shè)計(jì)密切相關(guān)，通常需要根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目的特點(diǎn)進(jìn)行定制。設(shè)計(jì)師需深入理解支撐系統(tǒng)的原理和技術(shù)特性，并熟悉其與橋梁其他部分的互動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)要精心選擇BRB 的尺寸、形狀和材料，以符合特定橋梁的結(jié)構(gòu)和抗震需求。設(shè)計(jì)還需考慮施工的可行性、經(jīng)濟(jì)性以及后期維護(hù)和檢修的便利。安裝方法應(yīng)確保與橋梁結(jié)構(gòu)有效整合，并便于維護(hù)或更換。施工安全性也至關(guān)重要，需符合技術(shù)規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目成功依賴于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和施工人員之間的緊密協(xié)作和溝通，確保所有參與方對(duì)設(shè)計(jì)意圖和施工要求有共同理解。另外，BRB 的施工技術(shù)和成本是橋梁工程的重要考慮因素，BRB 的復(fù)雜制造過程和施工技術(shù)可能導(dǎo)致成本增加。制造BRB 需精密工程技術(shù)和高質(zhì)量材料以滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。安裝時(shí)需要專業(yè)技術(shù)和精確工程管理，確保正確集成到橋梁結(jié)構(gòu)中。因此，在設(shè)計(jì)階段需要進(jìn)行成本效益分析，確保經(jīng)濟(jì)可行性。隨著技術(shù)發(fā)展和制造過程優(yōu)化，未來可能降低這些支撐系統(tǒng)的成本，提高經(jīng)濟(jì)效率。

5 案例分析

在我國(guó)山東省青島市建設(shè)的防屈曲支撐混凝土框架橋梁采用了速度鎖定型自復(fù)位防屈曲支撐（LU-SCBRB）作為縱向支撐系統(tǒng)，以提高橋梁的抗震性能和耗能能力，同時(shí)避免溫差等因素導(dǎo)致的次內(nèi)力和附加約力。而設(shè)置BRB 的橋梁結(jié)構(gòu)雖然也能夠降低地震反應(yīng)的峰值，但是會(huì)產(chǎn)生較大的殘余變形，同時(shí)還會(huì)受到溫差等因素的影響，導(dǎo)致次內(nèi)力和附加約束的增加[5]。表1 為動(dòng)力時(shí)程分析的部分結(jié)果。

表1 動(dòng)力時(shí)程分析的部分結(jié)果

從表1 中可以看出，設(shè)置LU-SC-BRB 的橋梁結(jié)構(gòu)相束[4]。該橋梁是一座跨越膠州灣的雙層公路橋，全長(zhǎng)約10 公里，上層為雙向六車道的高速公路，下層為雙向四車道的城市快速路，橋面寬度分別為36 米和28 米。橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式為連續(xù)剛構(gòu)橋，主跨為300 米，邊跨為150 米，共有20 個(gè)跨。橋墩為中空鋼管混凝土柱，橋臺(tái)為鋼筋混凝土墻，橋梁的抗震設(shè)防烈度為8 度，抗震等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)為1.2。

為了提高橋梁的縱向剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)考慮到橋梁的美觀性和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)者在主梁與橋墩之間設(shè)置了LU-SC-BRB 作為縱向支撐系統(tǒng)。LU-SC-BRB 是一種新型的防屈曲支撐，其主要由兩部分組成：一部分為防屈曲支撐系統(tǒng)（BRB），另一部分為速度鎖定自復(fù)位系統(tǒng)（LU-SC）。BRB 的主要作用是在地震作用下提供足夠的耗能能力和延性性能，防止橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。LU-SC 的主要作用是在地震后能夠自動(dòng)復(fù)位，恢復(fù)橋梁的原始形態(tài)，同時(shí)在溫度變化等非地震作用下能夠自動(dòng)解鎖，避免產(chǎn)生次內(nèi)力和附加約束。LU-SC 的原理是利用速度傳感器和電磁鐵控制一個(gè)可移動(dòng)的鋼板，當(dāng)縱向相對(duì)速度較小時(shí)，鋼板與BRB 的端部相接觸，形成一個(gè)剛性連接，當(dāng)縱向相對(duì)速度較大時(shí)，鋼板與BRB的端部分離，形成一個(gè)滑動(dòng)連接。

為了評(píng)估LU-SC-BRB 在橋梁工程中的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)者采用有限元軟件ANSYS 對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析和動(dòng)力時(shí)程分析，分別考慮了不設(shè)置縱向支撐系統(tǒng)、設(shè)置普通防屈曲支撐（BRB）和設(shè)置LU-SC-BRB 的三種情況。模態(tài)分析的結(jié)果表明，設(shè)置LU-SC-BRB 的橋梁結(jié)構(gòu)各階振動(dòng)頻率與不設(shè)置縱向支撐系統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)基本相同，而設(shè)置BRB 的橋梁結(jié)構(gòu)的縱向剛度和自振頻率均有提高。動(dòng)力時(shí)程分析的結(jié)果表明，設(shè)置LUSC-BRB 的橋梁結(jié)構(gòu)能夠有效地減小地震對(duì)橋墩底部剪力、彎矩和橋墩頂部縱向位移的峰值，同時(shí)能夠保持較小的殘余變形，表現(xiàn)出良好的抗震性能和自復(fù)位能比于不設(shè)置縱向支撐系統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)，能夠分別降低橋墩底部剪力、彎矩和橋墩頂部縱向位移的峰值30%、30%和40%，同時(shí)能夠降低橋墩頂部縱向位移的殘余變形50%。相比于設(shè)置BRB 的橋梁結(jié)構(gòu)，設(shè)置LU-SC-BRB 的橋梁結(jié)構(gòu)能夠分別降低橋墩底部剪力、彎矩和橋墩頂部縱向位移的峰值18%、18%和25%，同時(shí)能夠降低橋墩頂部縱向位移的殘余變形67%。這些結(jié)果說明，設(shè)置LU-SC-BRB 的橋梁結(jié)構(gòu)具有明顯的減震和自復(fù)位效果，能夠提高橋梁的安全性和耐久性，減少橋梁的維修和更新成本。

6 結(jié)語

防屈曲支撐在橋梁工程中的應(yīng)用顯示出其顯著的減震效果。然而，其設(shè)計(jì)與實(shí)施過程面臨一系列挑戰(zhàn)，需要持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)。展望未來，防屈曲支撐技術(shù)將在橋梁工程減震領(lǐng)域扮演更為重要的角色，為構(gòu)建安全可靠的交通基礎(chǔ)設(shè)施提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。