刍议悬吊式抗震渡槽的应用和发展

何宏彬

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 研究背景

近年来，全球地震频发，许多渡槽和桥梁都在地震中垮塌，造成重大经济损失，因此渡槽的抗震设计是一个不容忽视的环节。从近年来地震中看，地震对渡槽和桥梁的破坏形式多样，其中桥墩剪切破坏、落梁破坏和梁间的碰撞破坏是最常见的几种破坏形式。目前，在桥梁的抗震设计中一般采用极限设计原理，弹性设计原理，延性与耗能、强度定义和结构加固方案等，也出现了许多的减震隔震产品，其中铅锌橡胶就是最典型的例子，也是应用的最广泛的一种。虽然人类始终在探索抗震设计，但是每一种设计都存在一定的缺陷。综合来看，所有的设计缺陷都应是在1970年以前桥梁抗震设计中统一采用的弹性设计原理所引起的。

2 设计原理

2.1 设计思路

地震时产生的水平与竖直方向的地震波对结构会有不同程度的损坏，人工干涉也无法减小力的大小，只有通过结构的调节来将外力的破坏性降到最低。这个调节从以下两个方面进行，①悬吊式槽身在巨大外力的影响下通过自身摆动来减小水平方向的影响，这就要求渡槽要做成活动的悬吊式，但也要求结构在一般情况下固定来抵抗风荷载和水流对渡槽的作用力;②槽口竖直方向上也有一定的活动能力，故要求端口支座处应设置弹性材料，使其在一般情况下固定槽身，在地震作用下减小竖直方向上的破坏。

2.2 结构设计

结构设计主要分为上部结构和下部结构。

1)上部结构:上部结构为无推力拱桥(桥面只可以走人)，起主要支撑作用，承载渡槽和水体所有的荷载。

2)下部结构:下部结构为U形，U形薄壁结构(如图1)

在一定的流量时将渡槽的截面做得更小可以节省材料，减少工程量，减小槽体结构自身重量。U形结构大部分迎风面为弧面，承受的风荷载较小，抗风稳定性较为有利。

3)上下连接特点:上下连接处为悬吊，将拱上的拉索穿过桥面，用锚固定桥面，拉索的下端与渡槽连接在一起，形成悬吊的模式。

图1 U形截面

通过计算说明结构的抗震性能。材料参数如下:

设水流均匀的布置在槽内，所以结构可视为承受均布荷载。

均布荷载:设m取20 kg，其中槽身自重为5 kg，盛水重为15 kg，g取9.8N/kg，l=960mm。

用结构内力求解器解决纵面分析如下:

当正常情况下时，即无地震时结构的纵梁分析简化图(如图2):

图2 纵梁简图

纵梁轴力图(如图3):

图3 轴力图

纵梁剪力图(如图4):

图4 剪力图

纵梁弯矩图(如图5):

图5 弯矩图

对纵平面轴力验算如下:

由上图可知:最大弯矩值为302.48N·mm，最大剪力值为8.32 N，最大轴力为86.17 N。

从强度计算结果看，纵梁是安全的。

纵梁位移图(如图6):

图6 位移图

综上所述，模型在总质量为m=20kg的情况下，纵梁结构满足要求。

在地震情况下，作如下分析:

槽体横截面(如图7):

图7 横截面

4)悬吊竖杆强度校核:

当地震发生的时候，已知假设当地地震烈度为8度设防，简化成质点分析，查阅资料得:

αmax=0.24，则FEK=αmaxm1g=0.24×5×9.81= 11.772N;

槽身纵向取80mm为一个单元分析，每根拉杆的拉力

所以在地震情况下，从横断面分析可得，拉杆是安全的。

5)槽壳安全性校核:

槽身截面悬吊(如图8):

图8 横向截面

由积分及力学平衡可得到表1成果:

表1

由表1可知:正应力σ小于许用正应力，结构是安全可靠的。

6)水平抗震验算:

槽身由于地震作用，也会有纵向偏移的趋势，而结构设计在墩台处设置减震装置，装置可提供的竖直的约束力假设最大值为28N，现在考虑纵向运动情况。

由上得出，在墩台处设置减震装置是有效的，能够起到减震抗震的作用。

3 应用前景

长期的抗震工程实践证明，将一般结构体设计为“延性结构体系”是适宜的，其通过适当控制结构体的刚度与强度，使构件在强烈地震时进入非弹性状态，并且具有较大的延性，从而可以通过塑性变形消耗地震能量，使结构体“坏而不倒”，这正是目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震方法。综上所述，此抗震设计可以应用在渡槽抗震抗震上，特别是地震烈度比较高的地区，悬吊可以充分发挥其在地震作用下晃动摇摆的特点，达到结构不被破坏的效果。

［1］ M.J.N普瑞斯特雷，F.塞勃勒，G.M.卡尔维.桥梁抗震设计与加固［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［2］ 赵文华，陈德亮，何家骧，苏德功，颜其照.渡槽［M］.北京:中国水利电力出版社，1984.

［3］ 朱佰龙.土木工程结构抗震设计［M］.上海:同济大学出版社，1994.

［4］ 吴持恭.水力学［M］.北京:高等教育出版社，2003.