机械式熔断装置在桥梁减隔震中的应用

机械式熔断装置在桥梁减隔震中的应用

摘要：桥梁减震在进行桥梁设计时是必须要考虑到的关键问题，所谓的减隔震

技术是指通过采用减隔震装置来尽可能的将结构或构件与可能引起破坏的地震地

面运动或支座运动分离开来，大大减少传递到结构中的地震力和能量。随着研究

的深入，减隔震技术已不单单应用于新建桥梁的抗震设计中并且正在广泛的应用

于桥梁结构的加固设计中。

关键词：减隔震；机械式溶断；球钢支座；桥梁

一、前言

2008年汶川地震后，桥梁及建筑物的震害及抗震技术的需求，越来越多地引起人们的关注。国家颁布JTG／TB02—0l一2008《公路桥梁抗震设计细则》，明

确规定桥梁工程应两水准设防和两阶段设计，桥梁的减隔震技术也迅速发展。通

过引人减隔震装置改变结构在地震中的动力响应，在强震下降低上部结构传递至

下部结构的地震力。从而达到桥梁减震的效果。

二、桥梁减隔震支座的发展现状

自汶川地震后，桥梁的减、隔震设计得到重视，我国先后修订了公、铁路桥

梁的抗震设计规程，对桥梁支座的减隔震提出了相应的要求。为我国桥梁减、隔

震支座的发展提供了良好的契机。我国公、铁路桥梁设计依据的抗震规程主要有：

1、GB50111—2006铁路工程抗震设计规程；

2、JTG／TB02—0l一2008公路桥梁抗震设计细则。根据GB50111-2006铁路

工程抗震设计规程，铁路桥梁抗震按三阶段设计，即：

（1）多遇地震（50年）：地震后不损坏或轻微损害，能够保持正常使用功能，结构处于弹性工作阶段；

（2）设计地震（475年）：地震后可能损害，经修复，短期内能恢复正常使用功能，结构整体处于非弹性工作阶段；

（3）罕遇地震（2475年）：地震后产生较大破坏，但不出现整体倒塌，经

抢修后可限速通过，结构处于弹塑性工作阶段。

根据以上要求，铁路桥梁的减隔震支座应满足以下安全性要求：

（1）在多遇地震作用下，桥梁结构的抗震安全应满足GB50111-2006铁路工

程抗震设计规程的要求，减、隔震支座的耗能机构不应影响结构的正常使用功能；

（2）在设计地震作用下，桥梁连接构件的抗震安全应满足GB5011l一2006

铁路工程抗震设计规程的要求，减、隔震支座的位移锁定装置得到释放，耗能作

用在地震中得到有效发挥，支座的地震位移小于容许位移；

（3）在罕遇地震作用下，结构的抗震性能应满足以下要求：①桥墩的延性

比满足GB50111-2006铁路工程抗震设计规程的相关要求，隔震桥梁钢筋混凝土

桥墩的容许廷性比取2．4；②减、隔震支座的最大位移必须小于装置的容许位移；③减、隔震支座与桥梁之间连接构件的强度满足安全要求。

三、桥梁减震设计

1、减隔震技术并不是适合应用于各种情况。场地比较软弱、不稳定、或延

长桥梁结构周期后容易发生共振等情况，不宜使用隔震技术。因此，在进行桥梁

结构的抗震设计之前需要判断该桥是否适合采用隔震技术。经研究表明，只要满

足下面任何一条条件，就可以尝试采用隔震技术进行桥梁结构的抗震设计。

（1）地震波的角度：适用于能量集中于高频的波。

（2）结构的角度：桥梁是高度不规则的，例如相邻桥墩的高度显著不同，

因而可能存在对某个墩延性要求很高的情况。

（3）场地的角度：对于给定的场地，预期地面运动特性比较明确，具有较

高的卓越频率和在长周期范围内所含能量较低。

2、存在以下情况之一的桥梁，不宜采用减隔震设计：

（1）地震作用下，场地可能失效；

（2）下部结构刚度小，桥梁的基本周期比较长；

（3）位于软弱场地，延长周期可能引起地基与桥梁共振；

（4）支座中可能出现负反力时。

四、机械式熔断装置的结构、工作原理

熔断装置根据工作原理分为液压熔断装置和机械熔断装置，液压熔断装置是

在液压油缸上设置1个溢流阀，当油缸所受压力小于溢流阀的开启压力时刚性连接，当压力大于溢流阀开启油缸可以自由运动。

剪断装置下座板固结于桥墩上，上座部固结到梁体上，梁体的水平荷载（如：制动力、风荷载、多遇地震力等）通过上座部传递给剪力销轴，再通过剪力销传

递给下座板，而下座板与桥墩相连，实现正常运营工况的约束、限位。但烈度较

大的地震发生时，剪力销所承受的剪应力值超过自身强度而发生剪切破坏，梁体

与桥墩的连接得到释放，实现机械式熔断环的工作原理。

熔断装置的力需要严格控制在一定范围内，通常为设计力的±10％，剪切破

坏面应在预定的位置，对剪力销和熔断装置的材料及设计要求较高。剪力销在剪

切面处设置v形口，严格控制最小直径处的尺寸，这样可以精确控制销轴在纯剪

切作用下的作用力。

在熔断装置上增加抗弯螺栓，通过螺栓抗拉抵消销轴弯曲拉应力，使得熔断

装置中的销轴保持在纯剪切位置。

五、熔断力设计控制与实验

熔断装置性能判断标准之一：装置熔断力的精度，在很大程度上依赖于剪力

销剪断强度。剪力销尺寸按照纯剪切设计，设计熔断力控制按照式（1）计算：

由式（1）可知，当桥梁工程需要某一熔断力时，调整剪力销最小截面积，即销轴最小

截面的半径而对于桥梁需求熔断装置的熔断力较大时，通过多个剪力销组合，熔断力为剪力

销的数量乘上单个剪力销的熔断力。剪力销设计完成后，需要进行试制和在材料试验机上进

行剪切实验，实验工装构造尺寸需要与熔断装置的上、下座板尺寸一致。

六、机械式熔断装置在两港公路大治河桥中的应用

以大治河桥为例，其采用弹塑性阻尼器减隔震技术，在E1地震作用下，要求上下部的

连接与静力状况一致，结构保持弹性；在超过E1地震作用时，上下部相对位移，弹塑性阻

尼器起作用。这就需要上下部的连接有一个开关（熔断装置）区分2个阶段。大治河桥为主

跨158m的预应力混凝土鱼脊梁桥，桥宽35m，上部结构重量近4万t，桥墩高度低，刚度大，周期短，抗震设计采用减隔震，在强震下采用弹塑性阻尼器的减隔震技术，在超过E1地震

作用时，上下部相对位移，弹塑性阻尼器起作用。为此在桥梁的上下部连接中设置熔断装置，在静力状态及多遇地震工况，上下部连接可靠；强震工况，上下部的连接熔断，桥梁转化为

减隔震的外约束体系。

两港公路大治河桥工程的熔断装置用于固定墩的上下部连接的纵向限位，其功能：正常

工况、制动力、多遇地震力约束纵向位移，强震时熔断释放桥梁上下部的纵向连接，弹塑性

钢阻尼器发挥减隔震作用。该桥设置2种型号熔断装置，设计熔断力分别为15000kN，

6500kN，为节约成本、方便安装，将熔断装置与桥梁支座结合一体。

七、结束语

熔断装置是随着桥梁“减隔震设计”而出现的新型桥梁构件，主要有液压熔断和机械式熔