芻議懸吊式抗震渡槽的應用和發展

何宏彬

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

1 研究背景

近年來，全球地震頻發，許多渡槽和橋梁都在地震中垮塌，造成重大經濟損失，因此渡槽的抗震設計是一個不容忽視的環節。從近年來地震中看，地震對渡槽和橋梁的破壞形式多樣，其中橋墩剪切破壞、落梁破壞和梁間的碰撞破壞是最常見的幾種破壞形式。目前，在橋梁的抗震設計中一般采用極限設計原理，彈性設計原理，延性與耗能、強度定義和結構加固方案等，也出現了許多的減震隔震產品，其中鉛鋅橡膠就是最典型的例子，也是應用的最廣泛的一種。雖然人類始終在探索抗震設計，但是每一種設計都存在一定的缺陷。綜合來看，所有的設計缺陷都應是在1970年以前橋梁抗震設計中統一采用的彈性設計原理所引起的。

2 設計原理

2.1 設計思路

地震時產生的水平與豎直方向的地震波對結構會有不同程度的損壞，人工干涉也無法減小力的大小，只有通過結構的調節來將外力的破壞性降到最低。這個調節從以下兩個方面進行，①懸吊式槽身在巨大外力的影響下通過自身擺動來減小水平方向的影響，這就要求渡槽要做成活動的懸吊式，但也要求結構在一般情況下固定來抵抗風荷載和水流對渡槽的作用力;②槽口豎直方向上也有一定的活動能力，故要求端口支座處應設置彈性材料，使其在一般情況下固定槽身，在地震作用下減小豎直方向上的破壞。

2.2 結構設計

結構設計主要分為上部結構和下部結構。

1)上部結構:上部結構為無推力拱橋(橋面只可以走人)，起主要支撐作用，承載渡槽和水體所有的荷載。

2)下部結構:下部結構為U形，U形薄壁結構(如圖1)

在一定的流量時將渡槽的截面做得更小可以節省材料，減少工程量，減小槽體結構自身重量。U形結構大部分迎風面為弧面，承受的風荷載較小，抗風穩定性較為有利。

3)上下連接特點:上下連接處為懸吊，將拱上的拉索穿過橋面，用錨固定橋面，拉索的下端與渡槽連接在一起，形成懸吊的模式。

圖1 U形截面

通過計算說明結構的抗震性能。材料參數如下:

設水流均勻的布置在槽內，所以結構可視為承受均布荷載。

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

用結構內力求解器解決縱面分析如下:

當正常情況下時，即無地震時結構的縱梁分析簡化圖(如圖2):

圖2 縱梁簡圖

縱梁軸力圖(如圖3):

圖3 軸力圖

縱梁剪力圖(如圖4):

圖4 剪力圖

縱梁彎矩圖(如圖5):

圖5 彎矩圖

對縱平面軸力驗算如下:

由上圖可知:最大彎矩值為302.48N·mm，最大剪力值為8.32 N，最大軸力為86.17 N。

從強度計算結果看，縱梁是安全的。

縱梁位移圖(如圖6):

圖6 位移圖

綜上所述，模型在總質量為m=20kg的情況下，縱梁結構滿足要求。

在地震情況下，作如下分析:

槽體橫截面(如圖7):

圖7 橫截面

4)懸吊豎桿強度校核:

當地震發生的時候，已知假設當地地震烈度為8度設防，簡化成質點分析，查閱資料得:

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

槽身縱向取80mm為一個單元分析，每根拉桿的拉力

所以在地震情況下，從橫斷面分析可得，拉桿是安全的。

5)槽殼安全性校核:

槽身截面懸吊(如圖8):

圖8 橫向截面

由積分及力學平衡可得到表1成果:

表1

由表1可知:正應力σ小于許用正應力，結構是安全可靠的。

6)水平抗震驗算:

槽身由于地震作用，也會有縱向偏移的趨勢，而結構設計在墩臺處設置減震裝置，裝置可提供的豎直的約束力假設最大值為28N，現在考慮縱向運動情況。

由上得出，在墩臺處設置減震裝置是有效的，能夠起到減震抗震的作用。

3 應用前景

長期的抗震工程實踐證明，將一般結構體設計為“延性結構體系”是適宜的，其通過適當控制結構體的剛度與強度，使構件在強烈地震時進入非彈性狀態，并且具有較大的延性，從而可以通過塑性變形消耗地震能量，使結構體“壞而不倒”，這正是目前我國和世界各國普遍采用的傳統抗震方法。綜上所述，此抗震設計可以應用在渡槽抗震抗震上，特別是地震烈度比較高的地區，懸吊可以充分發揮其在地震作用下晃動搖擺的特點，達到結構不被破壞的效果。

［1］ M.J.N普瑞斯特雷，F.塞勃勒，G.M.卡爾維.橋梁抗震設計與加固［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［2］ 趙文華，陳德亮，何家驤，蘇德功，顏其照.渡槽［M］.北京:中國水利電力出版社，1984.

［3］ 朱佰龍.土木工程結構抗震設計［M］.上海:同濟大學出版社，1994.

［4］ 吳持恭.水力學［M］.北京:高等教育出版社，2003.