何宏彬

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

1 研究背景

近年來(lái)，全球地震頻發(fā)，許多渡槽和橋梁都在地震中垮塌，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此渡槽的抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)不容忽視的環(huán)節(jié)。從近年來(lái)地震中看，地震對(duì)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(shè)計(jì)中一般采用極限設(shè)計(jì)原理，彈性設(shè)計(jì)原理，延性與耗能、強(qiáng)度定義和結(jié)構(gòu)加固方案等，也出現(xiàn)了許多的減震隔震產(chǎn)品，其中鉛鋅橡膠就是最典型的例子，也是應(yīng)用的最廣泛的一種。雖然人類始終在探索抗震設(shè)計(jì)，但是每一種設(shè)計(jì)都存在一定的缺陷。綜合來(lái)看，所有的設(shè)計(jì)缺陷都應(yīng)是在1970年以前橋梁抗震設(shè)計(jì)中統(tǒng)一采用的彈性設(shè)計(jì)原理所引起的。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

地震時(shí)產(chǎn)生的水平與豎直方向的地震波對(duì)結(jié)構(gòu)會(huì)有不同程度的損壞，人工干涉也無(wú)法減小力的大小，只有通過(guò)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)來(lái)將外力的破壞性降到最低。這個(gè)調(diào)節(jié)從以下兩個(gè)方面進(jìn)行，①懸吊式槽身在巨大外力的影響下通過(guò)自身擺動(dòng)來(lái)減小水平方向的影響，這就要求渡槽要做成活動(dòng)的懸吊式，但也要求結(jié)構(gòu)在一般情況下固定來(lái)抵抗風(fēng)荷載和水流對(duì)渡槽的作用力;②槽口豎直方向上也有一定的活動(dòng)能力，故要求端口支座處應(yīng)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。

1)上部結(jié)構(gòu):上部結(jié)構(gòu)為無(wú)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(jié)構(gòu):下部結(jié)構(gòu)為U形，U形薄壁結(jié)構(gòu)(如圖1)

在一定的流量時(shí)將渡槽的截面做得更小可以節(jié)省材料，減少工程量，減小槽體結(jié)構(gòu)自身重量。U形結(jié)構(gòu)大部分迎風(fēng)面為弧面，承受的風(fēng)荷載較小，抗風(fēng)穩(wěn)定性較為有利。

3)上下連接特點(diǎn):上下連接處為懸吊，將拱上的拉索穿過(guò)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(guò)計(jì)算說(shuō)明結(jié)構(gòu)的抗震性能。材料參數(shù)如下:

設(shè)水流均勻的布置在槽內(nèi)，所以結(jié)構(gòu)可視為承受均布荷載。

均布荷載:設(shè)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(jié)構(gòu)內(nèi)力求解器解決縱面分析如下:

當(dāng)正常情況下時(shí)，即無(wú)地震時(shí)結(jié)構(gòu)的縱梁分析簡(jiǎn)化圖(如圖2):

圖2 縱梁簡(jiǎn)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(duì)縱平面軸力驗(yàn)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(qiáng)度計(jì)算結(jié)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(zhì)量為m=20kg的情況下，縱梁結(jié)構(gòu)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(qiáng)度校核:

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生的時(shí)候，已知假設(shè)當(dāng)?shù)氐卣鹆叶葹?度設(shè)防，簡(jiǎn)化成質(zhì)點(diǎn)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(gè)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(xué)平衡可得到表1成果:

表1

由表1可知:正應(yīng)力σ小于許用正應(yīng)力，結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

6)水平抗震驗(yàn)算:

槽身由于地震作用，也會(huì)有縱向偏移的趨勢(shì)，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在墩臺(tái)處設(shè)置減震裝置，裝置可提供的豎直的約束力假設(shè)最大值為28N，現(xiàn)在考慮縱向運(yùn)動(dòng)情況。

由上得出，在墩臺(tái)處設(shè)置減震裝置是有效的，能夠起到減震抗震的作用。

3 應(yīng)用前景

長(zhǎng)期的抗震工程實(shí)踐證明，將一般結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)為“延性結(jié)構(gòu)體系”是適宜的，其通過(guò)適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)體的剛度與強(qiáng)度，使構(gòu)件在強(qiáng)烈地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并且具有較大的延性，從而可以通過(guò)塑性變形消耗地震能量，使結(jié)構(gòu)體“壞而不倒”，這正是目前我國(guó)和世界各國(guó)普遍采用的傳統(tǒng)抗震方法。綜上所述，此抗震設(shè)計(jì)可以應(yīng)用在渡槽抗震抗震上，特別是地震烈度比較高的地區(qū)，懸吊可以充分發(fā)揮其在地震作用下晃動(dòng)搖擺的特點(diǎn)，達(dá)到結(jié)構(gòu)不被破壞的效果。

［1］ M.J.N普瑞斯特雷，F(xiàn).塞勃勒，G.M.卡爾維.橋梁抗震設(shè)計(jì)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(guó)水利電力出版社，1984.

［3］ 朱佰龍.土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1994.

［4］ 吳持恭.水力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2003.