简单桥梁结构设计模型减隔震应用的模拟分析

章凯宇 刘 彬

（1.长沙市长郡梅溪湖中学， 湖南 长沙 410100）

（2.湖南广播电视大学， 湖南 长沙 410004）

我国是一个地震多发国家，传统的桥梁抗震设计调节能力弱，为了达到抗震的目的，主要是采取增加桥梁自身的抗震性能的方法，但由于地震具有不可预测性等因素，常规的抗震设计往往无法确保桥梁结构的安全性。而减隔震设计能够在简单桥梁结构设计中降低外界对桥梁的破坏，对桥梁的质量具有很大的保障作用，是一种能有效减轻结构在地震中遭受损坏的设计方法。在简单桥梁结构设计过程中，桥梁建设工作人员往往会用到减隔震技术。一方面，在减隔震技术中使用柔性支撑结构，可以尽可能地减少地震对结构所造成的损伤，可以提升结构的使用年限；另一方面，为了增加结构的阻尼性能，使用阻尼器式能量耗散元件，能够确保结构的安全，减少外力的损害，延长结构的自振周期。另外，减隔震装置可以使得结构在遇到强烈地震时能降低不良影响，通过较小结构的地震加速度反应，可以提升荷载力，有效支撑整体结构。并且为了有效抑制结构位移的变化，可加大结构的阻尼性能。

1 简单桥梁结构设计模型分析

笔者选择简单桥梁为研究对象，以全桥为主进行分析与计算，地震发生时，相邻桥孔之间会产生相互影响。其桥梁桥墩的最大高度为36.5m，使用标号为C55的混凝土，工程所处场地类型为II类，墩身结构使用C40混凝土，主梁跨中截面梁的高度为4.4m，支撑位置梁体的高度为8.8m，使用单箱室变截面箱梁，从左墩到右墩的序号顺次为1#～6#，使用的是变截面、实心、活动墩，但4号为固定墩。通过对设计图纸的分析，我们可以看出，一般情况下，受地震的影响，箱梁与桥墩处于弹性状态中。因此，可以借助弹簧刚度对桥墩下端来模拟桩土的实际作用情况；为了对桥墩和主梁进行深入地研究，采取线性梁单元模拟进行研究；可以使用非线性弹簧对桥墩与箱梁之间的支座状态进行模拟试验。通过综合权衡与比对分析可知，此次全桥计算模型中共使用230个线弹性梁单元和6个支座弹簧单元。

2 减隔震装置的基本构造

2.1 速度锁定器

速度锁定器与阻尼器的工作机理具有相同之处，当速度锁定器缸体与活塞杆的速度达到某一特定数值时，将活动主墩与梁体有效地连接起来，自动变成刚性连杆，速度锁定器会执行锁定功能；当温度发生变化时，速度锁定器可以有效降低系统内力，由锁定状态自动切换为自由活动状态，避免引起梁体出现伸缩状态；在设备实际运行中，速度锁定器的状态并没有严格的界限，内力大小与速度也有密不可分的联系，或处于锁定状态，或处于非锁定状态。因此可以使用基于Maxwell模型的阻尼器单元来模拟、分析速度锁定器元件。但阻尼值的设置上，通常将指数取 2较为恰当，需要根据速度锁定器明确速度值。另外，如果结构模型的自振周期较之前发生显著的变化，在结构中应引入速度锁定器对整体结构造成的影响。因此，在模型设置中，速度锁定器的有效刚度也应作为主要的参照依据。

2.2 摩擦摆隔震装置

其具有成本低、技术要求程度第、可操作性强、承载能力强、稳定性高等优点，消能原理主要是为了减少由于地震作用所引发的放大效应，借助滑动面的设计延长结构的振动周期，为了降低相关结构物的损伤程度，通过支座的滑动面与滑块之间额摩擦来削弱地震能量。并且摩擦摆隔震装置具有一定的圆弧滑动面，在地震结束后，能够使支座恢复原样，进行自动复位。

2.3 钢阻尼支座

钢阻尼支座构造简单大方，类型主要有C型钢、E型钢等，属于一种新型软钢支座，在生产中可以为生产厂家节省一定的成本。在设计时，应整合优化设计钢阻尼元件与常规支座，才能使其竖向支撑与水平滞汇耗能的功效。本工程使用E型钢阻尼制作，E型钢阻尼具有塑性变形的特征，具有不可逆性，能够有效降低其对结构的损伤程度，减弱地震能量。对于简单桥梁结构来说，一般荷载状态下，在制作过程中，通过对E型钢的形状进行改变，增强其塑性变形能力，可以使E型钢阻尼变成一个“活动支座”，从而可以最大限度地减小局部变形形象，从而提升系统结构的使用年限。

3 简单桥梁结构设计模型中减隔震的设计

3.1 速度锁定器的设计

在温度发生变化时，为了保障速度锁定器处于可控位移幅度内，将速度锁定器安装在其他主墩上，这样，当有地震发生时，锁定器会与固定主墩一起抵抗地震所带来的强烈震感，会启动锁定功能，将活动支座变成固定支座，以此来保护桥梁结构自身的稳定性，有效降低固定主墩自身的承载力。并且借助锁定功能，速度锁定器支座可以使得主墩所承受的地震力得到均匀分散，有效分担规定主墩所应承受的水平地震力，从而延长主墩的使用年限，降低其自身的承受力，稳定桥梁整体结构。

3.2 摩擦摆隔震的设计

在固定墩上安装固定型摩擦摆装置，并将活动型摩擦摆隔震装置安装在其他墩上。当有地震发生时，为了降低固定墩所承受的抗弯曲能力、水平地震力，固定墩会借助摩擦摆模型，与其他墩保持相同步调的摆动，固定型摩擦装置会转变为活动型状态。同时，为了减小桥面抬升而造成的影响，减小滑动面的结构设计能够有效降低由于地震现象所造成的放大效应，延长结构的振动周期，提升桥梁结构的稳定性，摩擦摆隔震能够有效降低由于地震现象所造成的放大效应。

3.3 钢阻尼支座

在简单桥梁实际运行工作中应满足平时的温度位移差。因此，为了均匀分担主墩所承受的外力，可以将钢阻尼支座与速度锁定器进行搭配使用，最大限度地发挥E型钢的减震效能，使速度锁定器协助钢阻尼器的减震隔震作用，有效降低主墩自身的承载力。

3.4 方案对比

通过以上分析可以得知，速度锁定器在减震方面效果小，但能增强桥梁的整体抗震能力；而摩擦摆隔震装置以从根本上减小纵横向的地震力，减震效果最为突出，两者都具备减小地震应力的作用；钢阻尼器在减震方面也具有巨大的优势，但影响桥梁自身结构，会产生温度应力。由此可见，不管是在纵向减震还是横向减震方面，摩擦摆隔震装置是最佳的选择，都明显优于其它方案。

4 结论

通过上述分析，可知：在简单桥梁结构中，从抗震规范要求来说，采取减隔震设计能够有效分散固定墩的荷载力；将速度锁定器安装在固定墩中，对纵向减隔震具有效果，具有一定的适用条件，可以增强桥梁的整体抗震能力，增加装置的防震效果，显著增强活动主墩的剪力弯矩；在横向和纵向上，钢阻尼支座设置具有很好的减隔震作用；摩擦摆隔震装置会具有一定的局限性，会使得桥面出现抬升现象；应根据简单桥梁的实际情况选择减隔震方案，选取恰当的装置以及支座参数。