防屈曲支撐在橋梁工程減震體系中的應用現狀

馬明健

（上海建科工程咨詢有限公司山東分公司，山東 青島 266000）

防屈曲支撐技術由于其卓越的抗震性能，在現代橋梁工程中獲得了廣泛的應用，特別是在地震敏感區域。這種技術通過獨特的設計，能有效地防止結構在地震力作用下發生屈曲，從而顯著提高橋梁的耐震性能。本文的目的在于深入分析防屈曲支撐在橋梁減震系統中的關鍵作用，探討其設計原則、實施策略及與橋梁整體結構的協同效應。通過對防屈曲支撐技術的綜合評估，旨在為橋梁工程設計提供指導，以及對未來該技術發展的方向提出預測。

1 防屈曲支撐技術概述

1.1 技術原理與特點

防屈曲支撐技術的核心原理是利用特殊設計的支撐元件，在承受壓縮力時避免屈曲現象，從而提高結構的抗震性能。這種支撐結構通常由鋼材制成，核心部分被特殊材料包裹，以確保在強震作用下不會發生屈曲失效。這種設計的一個顯著特點是其高能量吸收能力，能夠在地震中吸收并消散大量的能量，減少結構的震動。另一個關鍵特點是其高度的可重復使用性。與傳統的抗震元件相比，防屈曲支撐在地震后不需要替換，可以重復使用，顯著降低了長期的維護成本。由于其結構緊湊，使得在現有橋梁結構中的集成和應用變得更加方便，為橋梁設計師提供了更多靈活性。

1.2 發展歷程與現狀

防屈曲支撐技術的發展始于20 世紀后半葉，最初用于提高高層建筑的抗震性能。隨著技術的不斷發展和完善，其應用范圍逐漸擴展到了橋梁工程領域。在過去的幾十年中，由于其出色的減震性能和經濟效益，防屈曲支撐已成為橋梁抗震設計的一個重要組成部分。當前，防屈曲支撐技術在全球范圍內得到了廣泛的應用，尤其是在地震活躍區域如日本、加州和中國等地。許多新建和改造的橋梁項目都采用了這種技術，以提高其在極端地震條件下的安全性和可靠性。研究和實踐證明，防屈曲支撐不僅能顯著提升橋梁結構的抗震性能，還能減少地震對橋梁正常使用和維護的影響。防屈曲支撐技術作為橋梁工程中的一種創新減震手段，已經顯示出其巨大的應用潛力和價值，預計未來將在更多的橋梁工程中得到應用和發展。

2 防屈曲支撐在橋梁工程中的應用

2.1 橋梁設計中的集成

在橋梁工程設計階段，防屈曲支撐（BRB）的集成是一項復雜而精細的工作[1]。這種支撐系統被引入主要是為了優化橋梁在地震等自然災害中的減震性能，尤其是在地震敏感區域的應用尤為關鍵。設計師在考慮防屈曲支撐集成時，需要綜合考慮多種因素，如橋梁的類型、尺寸、預期的交通負荷、地理位置以及潛在的地震風險。為了最大化其減震效果，設計過程通常涉及動力學模擬和結構分析的綜合應用，這有助于預測和評估在地震等自然災害影響下橋梁的響應和表現。除了基本的設計考慮，還需要仔細評估防屈曲支撐系統與橋梁其他結構組件之間的相互作用，確保整個結構的穩定性和安全性。這包括對支撐系統連接點的分析，以及對整個橋梁結構在各種負載情況下的穩定性評估。在設計過程中，還需考慮防屈曲支撐的維護性和可升級性。這意味著在設計支撐系統時，不僅要考慮當前的技術和應用要求，還要預見到長期的使用需求和可能的技術進步。例如，設計中可能包括允許將來更換或升級部件的特性，以便適應不斷變化的工程標準和技術發展?？紤]到不同地區的環境和氣候條件，設計防屈曲支撐時還應考慮其對環境變化的適應性，如耐腐蝕性和耐極端溫度的能力。防屈曲支撐的設計和集成還需要考慮施工的實際可行性，確保在橋梁建設階段可以有效而安全地安裝這些關鍵的減震組件[2]。通過這樣全面而深入的設計考量，防屈曲支撐能在提升橋梁的整體性能和安全性方面發揮至關重要的作用。

2.2 典型工程案例分析

全球范圍內，已有多個橋梁工程成功集成了防屈曲支撐系統，這些案例為未來的工程設計提供了寶貴的經驗和啟示。例如，在地震頻發的日本，許多橋梁采用了BRB 系統以提高其抗震能力。這些案例中，防屈曲支撐的應用不僅提高了橋梁在地震中的安全性，還確保了在地震后快速恢復正常使用。通過分析這些工程案例，可以發現防屈曲支撐在不同類型的橋梁結構中的適用性，包括懸索橋、拱橋和梁橋等。這些案例分析還揭示了BRB 系統在實際應用中面臨的挑戰，如材料的選擇、支撐的尺寸和形狀設計以及與橋梁其他結構組件的協調。通過這些成功的案例，可以為未來橋梁工程中防屈曲支撐的更廣泛應用提供科學依據和設計指導。

3 防屈曲支撐的性能評估

3.1 力學性能分析

力學性能是評估防屈曲支撐（BRB）效能的關鍵指標，這些性能參數直接影響了BRB 在減震體系中的有效性和可靠性。在力學性能的分析中，主要關注點包括支撐結構的承載能力、剛度以及能量耗散特性。這些特性共同決定了BRB 在遭受地震等外力作用時的響應和穩定性。防屈曲支撐的設計使其能在地震等動態負荷作用下有效地承受軸向負荷而不發生屈曲，從而保護橋梁結構不受重大損害。防屈曲支撐之所以能夠有效工作，是因為其內部設計有一種特殊的機制，這種機制可以防止在承受重載時發生屈曲，確保力在支撐內均勻分布。這種設計通常涉及使用一種核心材料，如鋼或其他合金，這些材料能夠在高應力條件下保持穩定。在進行力學性能分析時，不僅要考慮BRB 本身的材料和幾何形狀，還要關注其與橋梁其他部分的連接方式，以確保整個結構的協調性和穩定性。除了考慮BRB 的初始性能，還必須評估其在長期使用中的疲勞強度和耐久性[3]。這包括對BRB在變化的環境條件（如溫度波動、濕度變化、鹽霧腐蝕等）下的表現進行評估，以及其在重復負載下的性能保持能力。了解這些長期性能參數對于確保BRB 在其整個使用壽命期間保持高效和安全至關重要。研究BRB 在不同類型的橋梁結構中的應用也是重要的，這有助于更好地理解其在各種設計和負載條件下的表現，為未來的設計和應用提供更多的數據和經驗。通過對BRB的全面分析和持續研究，可以不斷優化其設計，提高其在橋梁工程中的應用效率和安全性。

3.2 抗震效果評價

抗震效果評價是防屈曲支撐性能評估的另一個重要方面。這一評價不僅考察支撐本身的性能，還包括其對整個橋梁結構抗震能力的貢獻。評價過程中，通常會采用地震模擬測試，通過模擬不同強度和特性的地震波，來觀察防屈曲支撐在實際地震情況下的表現。這包括監測支撐在地震作用下的位移、應力分布以及能量耗散情況。還需評估BRB 在減少橋梁整體結構的振動、提高結構穩定性方面的效果。通過這些評價，可以更全面地理解防屈曲支撐在實際工程應用中的抗震性能，從而為其設計和優化提供科學依據。

4 防屈曲支撐設計與施工中的挑戰

防屈曲支撐系統（BRB）在橋梁設計和施工中面臨的一大挑戰是其結構復雜性和對特定項目需求的適應性，BRB 系統與橋梁整體設計密切相關，通常需要根據每個項目的特點進行定制。設計師需深入理解支撐系統的原理和技術特性，并熟悉其與橋梁其他部分的互動。設計時要精心選擇BRB 的尺寸、形狀和材料，以符合特定橋梁的結構和抗震需求。設計還需考慮施工的可行性、經濟性以及后期維護和檢修的便利。安裝方法應確保與橋梁結構有效整合，并便于維護或更換。施工安全性也至關重要，需符合技術規范和安全標準。項目成功依賴于設計團隊和施工人員之間的緊密協作和溝通，確保所有參與方對設計意圖和施工要求有共同理解。另外，BRB 的施工技術和成本是橋梁工程的重要考慮因素，BRB 的復雜制造過程和施工技術可能導致成本增加。制造BRB 需精密工程技術和高質量材料以滿足安全標準。安裝時需要專業技術和精確工程管理，確保正確集成到橋梁結構中。因此，在設計階段需要進行成本效益分析，確保經濟可行性。隨著技術發展和制造過程優化，未來可能降低這些支撐系統的成本，提高經濟效率。

5 案例分析

在我國山東省青島市建設的防屈曲支撐混凝土框架橋梁采用了速度鎖定型自復位防屈曲支撐（LU-SCBRB）作為縱向支撐系統，以提高橋梁的抗震性能和耗能能力，同時避免溫差等因素導致的次內力和附加約力。而設置BRB 的橋梁結構雖然也能夠降低地震反應的峰值，但是會產生較大的殘余變形，同時還會受到溫差等因素的影響，導致次內力和附加約束的增加[5]。表1 為動力時程分析的部分結果。

表1 動力時程分析的部分結果

從表1 中可以看出，設置LU-SC-BRB 的橋梁結構相束[4]。該橋梁是一座跨越膠州灣的雙層公路橋，全長約10 公里，上層為雙向六車道的高速公路，下層為雙向四車道的城市快速路，橋面寬度分別為36 米和28 米。橋梁的主要結構形式為連續剛構橋，主跨為300 米，邊跨為150 米，共有20 個跨。橋墩為中空鋼管混凝土柱，橋臺為鋼筋混凝土墻，橋梁的抗震設防烈度為8 度，抗震等級為一級，重要性系數為1.2。

為了提高橋梁的縱向剛度和穩定性，同時考慮到橋梁的美觀性和經濟性，設計者在主梁與橋墩之間設置了LU-SC-BRB 作為縱向支撐系統。LU-SC-BRB 是一種新型的防屈曲支撐，其主要由兩部分組成：一部分為防屈曲支撐系統（BRB），另一部分為速度鎖定自復位系統（LU-SC）。BRB 的主要作用是在地震作用下提供足夠的耗能能力和延性性能，防止橋梁結構的破壞。LU-SC 的主要作用是在地震后能夠自動復位，恢復橋梁的原始形態，同時在溫度變化等非地震作用下能夠自動解鎖，避免產生次內力和附加約束。LU-SC 的原理是利用速度傳感器和電磁鐵控制一個可移動的鋼板，當縱向相對速度較小時，鋼板與BRB 的端部相接觸，形成一個剛性連接，當縱向相對速度較大時，鋼板與BRB的端部分離，形成一個滑動連接。

為了評估LU-SC-BRB 在橋梁工程中的應用效果，設計者采用有限元軟件ANSYS 對橋梁結構進行了模態分析和動力時程分析，分別考慮了不設置縱向支撐系統、設置普通防屈曲支撐（BRB）和設置LU-SC-BRB 的三種情況。模態分析的結果表明，設置LU-SC-BRB 的橋梁結構各階振動頻率與不設置縱向支撐系統的橋梁結構基本相同，而設置BRB 的橋梁結構的縱向剛度和自振頻率均有提高。動力時程分析的結果表明，設置LUSC-BRB 的橋梁結構能夠有效地減小地震對橋墩底部剪力、彎矩和橋墩頂部縱向位移的峰值，同時能夠保持較小的殘余變形，表現出良好的抗震性能和自復位能比于不設置縱向支撐系統的橋梁結構，能夠分別降低橋墩底部剪力、彎矩和橋墩頂部縱向位移的峰值30%、30%和40%，同時能夠降低橋墩頂部縱向位移的殘余變形50%。相比于設置BRB 的橋梁結構，設置LU-SC-BRB 的橋梁結構能夠分別降低橋墩底部剪力、彎矩和橋墩頂部縱向位移的峰值18%、18%和25%，同時能夠降低橋墩頂部縱向位移的殘余變形67%。這些結果說明，設置LU-SC-BRB 的橋梁結構具有明顯的減震和自復位效果，能夠提高橋梁的安全性和耐久性，減少橋梁的維修和更新成本。

6 結語

防屈曲支撐在橋梁工程中的應用顯示出其顯著的減震效果。然而，其設計與實施過程面臨一系列挑戰，需要持續的技術創新和改進。展望未來，防屈曲支撐技術將在橋梁工程減震領域扮演更為重要的角色，為構建安全可靠的交通基礎設施提供堅實的技術支持。