橋梁結構地震碰撞效應及防落梁措施研究現狀

張宇

（重慶市設計院 重慶 400015）

本文主要分析橋梁結構接觸面碰撞存在的主要問題，圍繞著防止橋梁碰撞造成的較大損失，研究橋梁結構地震碰撞效應的試驗方法，總結橋梁地震防范理論，達到優化橋梁結構和提高防落梁有效性的目標。

1 橋梁結構碰撞的主要原理分析

1.1 接觸面碰撞的主要問題

橋梁結構接觸面碰撞問題主要有以下兩個方面：①在橋梁設計時不規范，相鄰橋跨的結構沒能測算出合理值，設計人員沒能充分的分析相鄰跨的數據，沒能有效的避免相鄰跨的共振情況，在防碰撞試驗時沒能考慮樁土情況。地震是造成落梁的主要原因在，地震通常會造成橋墩彎矩變小情況。應當保證剛性地基橋跨的碰撞承受力相比于柔性地基橋跨承受力大。②針對軟土地基情況設置新型的位移模式，針對硬場地上的橋跨空間變化情況，相鄰跨基頻比較為相近，這樣也提高了最小伸縮縫寬度要求。

1.2 相鄰跨地震碰撞理論

可以利用4自由度的模型對雙邊棒碰撞的影響進行分析，也可以利用較為簡單的2自由度模型對自由碰撞進行研究，從而達到發現橋梁框架的運動特點，橋梁的地面運動規律，以及對橋梁框架進行控制辦法。可以根據16m或32m跨度的調整鐵路橋梁作為案例，分別設計2跨或4跨不等的平面計算模型，把橋梁的塑性體系與結構參數進行對比分析，得出的數據可以用于非彈性結構最大位移或彈性結構的最大位移測算。具體可以通過調整結構參數與塑性體之間關系，表明非彈性結構最大位移和彈性結構碰撞資料情況。還要對多跨混凝土的碰撞效應進行分析，從而有效控制墩頂位移的效果。

但是對較短的橋墩其受到碰撞比較長的橋墩力度大，碰撞不會對兩個橋墩的縮縫寬度造成較大影響，減少碰撞對伸縮縫的影響，需要采用科學的調節辦法。

1.3 接觸碰撞分析方法

接觸碰撞分析方法主要采用恢復系數法、接觸單元法和拉格朗日乘子法。接觸面碰撞測試主要采用三種方法，目前常的是恢復系數法，在復雜情況下可能采用基礎單元法，這樣有助于細化碰撞分析的各種因素，拉格朗日乘子法也是當前較為常見的測試方式。恢復系數法是傳統的處置方法，主要根據能量守恒定律的兩個質點進行碰撞分析，然后根據碰撞速度情況對碰撞模型的表現進行判斷，復系數法算法較為簡單，物理量清晰，可以通過計算快速得到碰撞參數。其余兩種方法可以提高參數的精準性，適用于復雜的橋梁碰撞工程測試，但是測試的過程復雜，操作的周期較長。接觸單元法主要采用點對點的測試方法，碰撞分析法演示了兩個相鄰跨碰撞的過程，這個碰撞過程的接觸單元需要彈簧和阻尼器構成，主要運用彈簧來模擬接觸單元的鋼度情況，用阻尼器來模擬碰撞時的能量變化，在碰撞試驗時主要采用線性彈簧模擬法，也可以采用非線性彈簧測試，這樣可以降低測試復雜性，但是測試的精準性有待提高。拉格朗日乘子法主要依造接觸約束條件來求解碰撞問題，它主要將拉格朗日乘子引入接觸碰撞當中，提高了碰撞測試的精準性，但是算法的復雜性大，算法的精度低，求解過程較為復雜，求解時受到不可控因素的干擾多。

2 橋梁防落梁的主要措施

2.1 安裝緩沖材料

通過碰撞試驗得到了橋梁接觸碰撞的關鍵位置，應當在接觸位置適當的安裝緩沖材料，例如，安裝連接桿、阻尼器或者加裝硬橡膠緩沖墊，這樣可以達到提高緩沖有效性，防止落梁碰撞造成較大的損害。首先，連接桿和阻尼器的安裝應當防止連接管剛度過大情況，以及減少阻尼過高的情況，這樣才能達到有效防落梁的目標。其次，應當把上部結構建成連續的體系，采用科學的方法方式使梁體從溫度和混凝土收縮方面產生較大的內力，進而防止出現嚴重影響梁體的問題。地震發生時主要會影響橋梁的運動空間，這時需要對橋梁結構的變化情況進行體制，重點防止橋梁出現塑性變形，減少地震對防止壓碎裝置的沖擊，做到有效消耗梁體振動的能量消耗，例如，可以安裝橡膠緩沖墊，還可以優化橋底與臨梁碰撞力，從而達到運用液體油缸阻尼器防止沖擊傳播的效果。

2.2 防止落梁的措施

伸縮縫技術對于防止落梁有重要的價值，使用伸縮縫技術的關鍵在于計算好具體的防落梁的支承位置，這樣才能保證橋梁有足夠的搭接長度。由于橋梁各支承點的震動較小，橋梁陣型結構有較大羞，還要采用先進的邊梁，對在施工時固定好支座，對固定支座的受與滑動支座的位置進行判斷。首先，合理的確定裝置的使用數量，根據相鄰跨對裝置的使用數量情況進行假想設定。其次，對約束系統的位移情況進行計算，對限位裝置中的應力進行驗算，并且將其控制在彈性的范圍空間內。

表1 橋梁防落梁裝置的基本構成要素

2.3 調節橋梁縫寬度

為了達到有效避免因地震造成的橋梁塌落問題，在梁塌落時避免發生碰撞，可以采用控制相鄰橋梁結構的方法，保證相鄰結構留有足夠大的間隙。相關學者的研究認為，間隙之間產生的碰撞力越小，碰撞產生的力度最大，間隙小時碰撞的次數過大，其碰撞的力量相對較小。縫隙之間的距離對碰撞的破壞程度有較大的影響。應當保證縫隙之間間距足夠大，這樣對結構產生的影響相對較小，當縫隙之間的距離不大不小時，對橋墩受力帶來的影響也相應較大。如果橋梁的橋縫過寬，伸縮縫兩側梁體之間會出現獨立震動的情況，進而大量的震動能量被吸收，從而使地震帶來的震動有效減少。適當的增加伸縮縫的寬度，會在一定程度上減輕梁體之間的碰撞，橋梁的伸縮縫如果過小，對梁中的溫度應力的釋放過程會受到一定的影響，應當根據橋梁碰撞試驗得出的結構合理的確定橋梁的縫寬度，保證橋梁縫寬度在控制橋梁碰撞力方面的作用。

3 結論

橋梁結構的地震碰撞問題直接關系到橋梁的穩定性，對橋梁地震碰撞的原因與帶來的影響情況進行分析，可以達到提高橋梁控制有效性目標。碰撞原因的分析對于提高防落梁質量的有重要的意義，橋梁碰撞的主要原因在于超出間隙范圍，造成了伸縮縫過大，橋梁結構主要問題在于相鄰跨剛度問題，橋梁跨的質量問題也是造成橋梁問題落梁重要原因在，由于地震的強度不同，因此導致碰撞的原因是多樣的，還有樁木之間關系的影響，還要控制好相鄰橋梁之間間隙，保證間隙處在可控范圍內，從而達到有效防止橋梁落梁情況的出現。