在我國西部的深山峽谷間，獨塔斜拉橋是連接天塹的“空中生命線”。這類橋因主跨長、邊跨短的不對稱設計（如金沙江大橋主跨340米，邊跨僅72米），能將主塔建在山坡而非谷底，大幅降低施工難度。但“不對稱”也帶來隱患——地震時橋面容易“晃得沒章法”，傳統固定約束（直接焊死橋面與橋墩）會導致橋墩底部剪力激增，甚至超過設計極限。如何讓它在強震中既“穩”又“柔”？我國科研團隊近日給出了關鍵答案。

不對稱的“麻煩”：地震時“晃法”復雜到“多模式”

獨塔斜拉橋的“不對稱”遠不止跨度。金沙江大橋的邊跨用了更重的混凝土梁（重量是主跨鋼箱梁的5倍多），橋墩高度也差異懸殊：靠近主塔的橋墩高近70米，遠離的僅20多米。這種“重量不均+剛度不均”的結構，在地震中會觸發“多模式振動”——研究發現，其橫向地震響應由3種不同振動模式共同主導：有的是主跨“左右擺”，有的是邊跨“反向扭”，還有的是橋面整體“波浪顫”。傳統固定約束下，橋墩底部剪力最大可達14.4萬噸（主塔），遠超安全閾值。

阻尼器的“變形密碼”：倒S形滯回最“聰明”

解決“晃得兇”的關鍵，是給橋裝“減震器”——位移相關型阻尼器。這類裝置平時像“彈簧”支撐橋面，地震時通過變形“吃掉”地震能量。但不同阻尼器的“變形路徑”（滯回模型）效果天差地別：直線型太“硬”，地震時耗能少；S形先軟后硬，容易“前松后緊”；倒S形（先硬后軟）卻被實驗證明最適配。

團隊用多線性模型模擬發現，倒S形阻尼器的“彈性段”初期剛度大，能穩住橋面日常小晃動；后期剛度驟降，地震時能靈活變形，平衡不同橋墩的“硬度差”（高橋墩軟、矮橋墩硬）。測試顯示，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“智能減震器”。

參數怎么配？“ influence矩陣法”6輪算準

確定了阻尼器的“形狀”，還得給每個橋墩“量身配參數”。傳統方法靠“試錯”，耗時又費錢。團隊用“influence矩陣法”——先設定目標位移（如0.45米，留足安全余量），通過迭代計算調整阻尼器的“屈服力”（開始耗能的臨界力），僅6輪迭代就能精準匹配各橋墩需求。結果發現，阻尼器的屈服力和“固定約束時橋墩的剪力”強相關：剪力大的主塔需要更大的屈服力（約為固定約束時的5%-15%），而輔助橋墩因剛度小，屈服力要求低。

地質條件“挑”方案：陡坡全裝，緩坡可省

山區地形復雜，隔震方案還得“看坡下菜”：

  • 陡坡（山坡陡，橋墩剛度差異大）：必須給所有橋墩裝阻尼器。陡坡上的矮橋墩剛度大，地震時會“拽”著橋面劇烈晃動，阻尼器能同時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?。?/strong>：輔助橋墩（遠離主塔的矮墩）的阻尼器可以省。因為緩坡上的橋墩剛度相近，橋面晃動時它們“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）比硬土地基更“危險”：軟土會放大地震波的低頻能量，導致阻尼器需要更大的屈服力，橋墩剪力也更高。

未來：讓山區大橋“震后更抗造”

目前，這套方案已應用于金沙江大橋的抗震設計。團隊表示，下一步將驗證阻尼器在更長周期地震（如10年、20年）中的性能穩定性，并探索更靈敏的監測技術，實時“診斷”阻尼器狀態——未來，更多跨越峽谷的“空中走廊”，或許能靠這套“智能隔震系統”，在強震中既穩又“柔”，守護山區交通命脈。

來源: FrontCIVlL