摘要： 渡槽结构由于上部水体及槽体重量大，地震时动力反应强烈。按传统抗震设计难以保障其安全性，采用减隔震装置是解决渡槽抗震安全的可行措施，适度延长隔震结构周期与调整阻尼是控制渡槽振动的有效途径。由于无渡槽减隔震设计规范，借鉴桥梁减隔震设计原理，结合某渡槽进行了减隔震参数设计，给出了设计步骤。
关键词：大型渡槽；减隔震技术；参数设计
中图分类号：TV68；TU352
文献标识码：B
文章编号：1672-1683(2008)01-0212-04
Seismic Isolation Design of Large-Scale Aqueduct-Bridge
CHEN Ling-ling，QIAN Sheng-guo，CHEN Min-zhong，XU De-yi
(Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan，430010，China)
Abstract：Since the weight of the aqueduct-bridge together with its inside water is huge，the dynamic response of the structure is intensive under seism，its safety could not be guaranteed according to the traditional aseismatic design.Therefore the seismic isolator is a feasible measure to ensure the safety of the aqueduct-bridge.Prolonging the period and adjusting the damp of the aqueduct-bridge are effective ways to control its vibration.As no design criterion about the aqueduct-bridge can be followed currently，the isolation principle of the bridge is used for reference and applied to the parameter design of an aqueduct-bridge，and the design process is given at the same time.
Key words：large-scale aqueduct-bridge；isolation technique；parameter design
1 概 述
渡槽是跨越河流的重要输水建筑物，随着南水北调工程的兴建，大型渡槽结构的抗震设计成为急待解决的难题。渡槽由于载荷大，如穿黄渡槽过水流量达500 m3/s，下部由70余米高的支承结构，因此，地震动力反应会较强烈。已有的研究表明，采用常规的抗震设计思路很难保证设防地震的抗震安全性。近几十年来，研究人员在土木建筑方面提出了一些新的抗震技术，主要有减隔震技术、主动控制技术和被动控制技术等，实际上减隔震技术也是被动控制的一种，这种方法在工程上易实现，维护简便，投资少，大型桥梁采用较普遍。渡槽与桥梁结构有类似之处，可以借鉴其减隔振设计经验。目前有学者对大型渡槽减隔震研究作了一些工作[1，7-9]，但起步晚，渡槽的减隔震设计无实际经验，更无规范可循，减隔震设计理论与分析方法还有待进一步深入研究。
本文借鉴桥梁减隔震设计技术，根据渡槽自身的特点，研究渡槽减隔震抗震设计方法，提出总体设计规划、隔震主要控制目标、支座设计基本原则，并通过实例说明设计步骤。
2 大型水工渡槽减隔震设计方法
2.1 渡槽减隔震途径
传统的抗震设计是通过增强结构强度与延性来抗御地震的作用。在给定的地震动下，抗震设计要求结构提供抵抗这种地震力的能力。而减隔震的抗震设计思想则是通过结构适当部位设置隔震装置，改变结构的动力响应特性，从而减少地震动的输入，并引入耗能机构，组成抗震构件，其基本途径就是通过延长结构周期，增大耗能来控制结构的振动。大型水工渡槽的结构最大特征是槽体承载水体比槽体自重还大，地震动时槽体产生很大的惯性力，使支承它的槽墩与桩基础产生很大的应力与变形。按常规抗震设计的思路，难以满足设防地震结构的抗震安全性要求。
2.2 渡槽减隔震装置布设部位的选择
根据水工渡槽结构工作特性与地震动力反应的特征，以减隔震方法来保证抗震安全性。减隔震装置布设有几个部位可供选择：(1)渡槽与墩顶设置隔震装置，这是桥梁上普遍使用的；(2)在槽墩与地基承台之间设置隔震装置；(3)桩基设置减隔震装置。后两种属基础隔震，能够使槽墩、槽体均减小地震的作用。但实际安装上存在较大难度，保证正常运用也存在很大问题，目前在桥梁抗震上也很少应用。
采取在槽体与槽墩之间设置隔震装置是一种可行的方案，根据以上渡槽动力响应特性的分析与研究，能够有效的削减槽墩与槽体的地震效应。对渡槽横向，由于渡槽与水体的相互作用会产生比一般桥梁更大的地震惯性力，隔震装置能隔离地震对槽身的作用，反过来减少了渡槽槽身地震惯性力对槽墩的作用。由于隔震，传给槽身的地震加速度也会大大降低，槽身与水体动力相互作用力也会减少，应该会有较好的的减、隔震效果。此方案归纳起来有以下优点：(1)能够较好满足正常运行的要求；(2)可以借鉴桥梁的隔震设计经验；(3)安装布置比较容易；(4)能够有效的起到隔震减振的效果，因此本文针对这一方案进行研究。
2.3 几种隔震装置
目前渡槽的减隔震技术还处在研究阶段。近年来，我国南水北调中线工程穿黄等大型渡槽的设计，促进了渡槽抗震设计的研究。类似渡槽结构桥梁与建筑结构减隔震方面，有实际工程经验可以借鉴，较有效的隔震支座装置有：叠层橡胶钢板支座、铅蕊橡胶支座(LRB)、阻尼器装置(橡胶支座、钢阻尼器、油阻尼器等三个类型)。
3 大型水工渡槽的减隔震设计步骤
3.1 总体规划
针对实际工程情况，提出对减隔震设计的要求，依据的基本原则。
目前关于渡槽减隔震设计，没有规范可依，由于渡槽结构的复杂性，抗震设计还缺乏针对性。减隔震是控制地震作用，其设计必须依据渡槽的地震动特性来确定。常规结构抗震设计，是先按满足正常使用的原则，确定结构形式，并做出设计后进行抗震校核。当不满足抗震设防地震要求时，再被动地采用增加结构构件强度的办法来提高抗力，以满足规范要求。这样的设计思路，难以达到技术上可靠，经济上又合理的要求。减隔震设计是采取一定措施，减小输入到上部结构的能量，达到结构预期防震的要求。
从结构动力学一般原理分析，渡槽槽墩由于其地基类别、槽墩高度的不一致性，各墩设置的隔震支座力学性能如何与槽墩动力性能协调，这在隔震设计中应总体一起考虑，做出统一判断。仅仅选择一个或少数几个支座建立的局部分析模型，往往并不能达到预期的目的，而会因在隔震支座总体布置设计上不合理，刚度不协调，导致刚度分布不均，有些承受地震作用过大，易先失效破坏，进而影响整个渡槽的安全。因此，渡槽槽墩的高度应尽可能一致，以避免各墩刚度相差悬殊，结果导致某一墩或某一跨破坏后，使整个渡槽失效。
跨度尽可能一致，以免墩的轴压比和延性相差太多，对动、静力作用都是不利的。
综观以上所述，渡槽隔震设计的总体规划应遵循以下原则：
(1)协调变形与降低惯性力之间的关系。变形应控制在渡槽上部结构允许的范围内，槽体由于有较严格的防漏水要求，这与桥梁有较大区别；(2)隔震的基本周期一般应大于没有隔震时周期的2.0倍以上；(3)满足正常使用要求；(4)在隔震装置的非线性变形状况下，应尽可能使渡槽其它结构构件保持线弹性状况。
3.2 主要控制目标
现有桥梁的抗震设计，采用两阶段设计法，即低水准地震作用时，隔震支座可超出屈服点在非线性状态。但其余构件应为弹性状况。对高水准地震则允许桥墩结构发生有限的非弹性变形，但应基本保持正常使用功能。低水准地震作用，以强度为安全校核标准；对于高水准地震作用，重要桥梁要求保持正常使用，水工渡槽结构设防目标，在最新的设计水工抗震规范中还没有明确条款规定，校验指标应该明确加以界定。
水工渡槽结构设防目标，在最新的水工建筑物抗震设计规范中还没有明确条文规定。是否应采用多水准设防的目标，它们的设计代表值(地震烈度或加速度峰值)如何确定，都是需要进一步研究的课题。
水工建筑物多为刚度大的结构，位移通常比较小，都是以强度控制，但对于如厂房、升船机塔柱、渡槽等类似工民建的高层建筑物是否应采用多目标设计值，水工建筑有一定特殊性，由于运行的要求，对位移有严格标准，但结合减隔震往往会产生较大位移。因此设计中，必须对位移给出标准。
渡槽槽体与槽墩之间的连接，由于采用了柔性隔震支座，可有效控制渡槽的加速度，但会导致位移增大，过大的位移使相邻槽体连接处产生破坏而漏水，限制两槽体相对位移、协调好允许最大变形与惯性力降低的关系，是另一主要控制目标。渡槽正常使用即要达到控制振动位移，同时满足强度要求。
3.3 减隔震支座装置设计的基本原则及力学参数
3.3.1 支座设计基本原则 (1)有可靠的竖向承载能力，适度增加竖向载荷时，不致产生破坏。在地震水平变形较大时，仍应保持足够的竖向荷载承载力。(2)有较适度的初始水平刚度，保证一般风荷载及其它意外动荷载干扰下，不致产生屈服振动。(3)在设防地震烈度下，应有足够安全储备。(4)适应环境温度变化能力较好。(5)受强震作用后有较好的复位能力。
3.3.2 减隔震装置力学参数 (1)铅销橡胶支座的承载能力指标。(a)支座静竖向承载力：承载能力、垂直刚度；(b)最大水平变位；(c)支座高度；(d)支座面积尺寸(直径或边长)。(2)非线性力学参数特性(供隔震设计计算用的参数)。(a)初始刚度；(b)屈服刚度；(c)特征强度；(d)恢复力模型(滞回曲线)。(3)流固耦合模型。(a)选用已经建立的Housner模型；(b)研究更加合适的模型，根据数学理论及模拟试验模型，建立计算力学模式。
4 渡槽减隔震设计实例
选取某渡槽进行减隔震设计，说明其方法与步骤。
5 结 语
(1)大型水工渡槽的抗震安全性问题较为突出，为达到设防地震的安全目标，采用减隔震措施，应该是一种有效的途径，并且切实可行。由于目前在渡槽上应用还缺乏实际经验，一方面借鉴类似建筑物，如桥梁的减隔震理论与实际经验，提出了渡槽三种减隔震布置方案，并建议渡槽选用几种减隔震的类型，阐明了这些支座的力学特性，以及支座力学尺寸、型式和力学参数的初步设计计算方法，结合某大型渡槽，提出了隔震设计的初步(建议性)方案。
(2)水工渡槽的减隔震设计控制目标与标准，这是渡槽减隔震设计的依据。由于渡槽抗震设计目前尚无规范可依，本报告根据水工渡槽结构动、静力特性，讨论了关于渡槽的设防水准与振动控制目标的建议以及评价渡槽结构安全性应采用的标准，一方面供制定规范参考，一方面为渡槽减隔震设计提供依据。
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注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
