在我國(guó)西部的高山峽谷間，獨(dú)塔斜拉橋因能最大化利用地形、減少橋墩數(shù)量，成為連接“天塹”的首選。但這類(lèi)橋有個(gè)“致命弱點(diǎn)”——跨度不對(duì)稱(chēng)、質(zhì)量分布不均，地震時(shí)容易“晃得厲害”，甚至導(dǎo)致橋墩斷裂、橋面移位。如何讓它在強(qiáng)震中“穩(wěn)如泰山”？近日，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)以金沙江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，找到了一套“量身定制”的橫向隔震方案。

不對(duì)稱(chēng)的“麻煩”：地震時(shí)“晃法”復(fù)雜

獨(dú)塔斜拉橋的“不對(duì)稱(chēng)”體現(xiàn)在哪兒？以金沙江大橋?yàn)槔骺?40米，而邊跨僅72米，像“一邊挑重?fù)?dān)、一邊輕裝”。為平衡重量，邊跨用了更重的混凝土梁（重量是主跨鋼箱梁的5倍多），但這也導(dǎo)致橋墩高度差異大——靠近主塔的橋墩高近70米，遠(yuǎn)離的僅20多米。這種不對(duì)稱(chēng)讓橋梁在地震中“晃得沒(méi)規(guī)律”：研究發(fā)現(xiàn)，其橫向地震響應(yīng)由3種不同的振動(dòng)模式共同主導(dǎo)，有的是主跨“左右擺”，有的是邊跨“反向扭”，傳統(tǒng)固定約束（直接把橋面和橋墩焊死）會(huì)導(dǎo)致橋墩底部剪力激增，甚至超過(guò)設(shè)計(jì)極限。

阻尼器的“變形記”：倒S形滯回更“聰明”

為解決這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)盯上了“位移相關(guān)型阻尼器”——平時(shí)像“彈簧”支撐橋面，地震時(shí)通過(guò)變形“吃”掉地震能量。但不同阻尼器的“變形路徑”（滯回模型）效果差異大：有的是直線型（硬邦邦），有的是S形（先軟后硬），還有的是倒S形（先硬后軟）。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)，倒S形滯回的阻尼器最“適配”：它的“彈性段”初期剛度大，能穩(wěn)住橋面日常小晃動(dòng)；后期剛度變小，地震時(shí)能靈活變形，平衡不同橋墩的“硬度差”（比如高橋墩剛度小、矮橋墩剛度大）。測(cè)試顯示，倒S形阻尼器的耗能效率比直線型高54%，橋墩底部剪力降低幅度最大，堪稱(chēng)“智能減震器”。

阻尼器參數(shù)怎么定？“ influence矩陣法”快速算

確定了阻尼器的“形狀”，還得給每個(gè)橋墩配“對(duì)”參數(shù)。傳統(tǒng)方法靠“試錯(cuò)”，耗時(shí)又費(fèi)錢(qián)。團(tuán)隊(duì)用“影響矩陣法”——先設(shè)定目標(biāo)位移（比如0.45米，留足安全余量），通過(guò)迭代計(jì)算調(diào)整阻尼器的“屈服力”（即開(kāi)始耗能的臨界力），6輪迭代就能精準(zhǔn)匹配各橋墩需求。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，阻尼器的屈服力和“固定約束時(shí)橋墩的剪力”有強(qiáng)關(guān)聯(lián)：剪力大的橋墩（如主塔）需要更大的屈服力，比例約為5%-15%。

地質(zhì)條件“挑”方案：陡坡全裝，緩坡可省

山區(qū)地形復(fù)雜，橋墩所在的山坡陡緩不同，隔震方案也得“因地制宜”：

  • 陡坡（山坡陡，橋墩剛度差異大）：必須給所有橋墩裝阻尼器。因?yàn)槎钙律系陌珮蚨談偠却螅卣饡r(shí)會(huì)“拽”著橋面劇烈晃動(dòng)，阻尼器能同時(shí)約束橋面和橋墩的位移，避免“相互拉扯”。
  • 緩坡（山坡平，橋墩剛度差異小）：輔助橋墩（遠(yuǎn)離主塔的矮墩）的阻尼器可以省。因?yàn)榫徠律系臉蚨談偠认嘟瑯蛎婊蝿?dòng)時(shí)它們“配合更默契”，省掉輔助墩的阻尼器也能有效減震。

此外，軟土地基（土壤松軟）比硬土地基（巖石）更“危險(xiǎn)”：軟土?xí)糯蟮卣鸩ǖ牡皖l能量，導(dǎo)致阻尼器需要更大的屈服力，橋墩剪力也更高。

未來(lái)展望：讓山區(qū)大橋更“抗造”

目前，這套方案已應(yīng)用于金沙江大橋的抗震設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)表示，下一步將驗(yàn)證阻尼器在更長(zhǎng)周期地震（如10年、20年）中的性能穩(wěn)定性，并探索更靈敏的監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)“診斷”阻尼器狀態(tài)。

從600米跨徑的“空中走廊”到毫米級(jí)的阻尼器變形，這項(xiàng)研究為山區(qū)獨(dú)塔斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)提供了“定制化指南”——未來(lái)，更多跨越峽谷的大橋，或許能靠這套“智能隔震系統(tǒng)”，在強(qiáng)震中更穩(wěn)、更安全。

來(lái)源: FrontCIVlL