橋梁抗震設(shè)計(jì)探究
2015-04-03
大家都知道，強(qiáng)震災(zāi)害一旦發(fā)生，它的毀滅性與突發(fā)性，一般是很難預(yù)測(cè)的。地震是一種突發(fā)式的強(qiáng)震動(dòng)，一般是從開始到結(jié)束會(huì)有幾秒到幾十秒，有的甚至可以持續(xù)1分多鐘。地震通過地震波釋放巨大的能量，因此發(fā)生地震時(shí)會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的破壞。橋梁作為重要的社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施，具有投資大、公共性強(qiáng)、維護(hù)管理困難的特點(diǎn)。橋梁不僅是國家經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中輸送人員、物資的大動(dòng)脈，又是震災(zāi)救援和震災(zāi)恢復(fù)中的咽喉。對(duì)于作為生命線工程的橋梁在遭遇地震時(shí)能保持或基本保持使用功能極為重要，特別是隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，橋梁無論在數(shù)量上還是延伸長(zhǎng)度上都在快速增長(zhǎng)，高速公路、鐵路在國民經(jīng)濟(jì)和居民日常生活活動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用，地震中橋梁設(shè)施的損壞、倒塌所帶來的影響常常超過了橋梁因改建或維修所需要的巨額財(cái)政支出，研究橋梁結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)及破壞模式，提高橋梁的抗震能力是我國公路交通建設(shè)中所面臨的重大課題。
一、橋梁結(jié)構(gòu)的震害
強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，主要發(fā)生的橋梁震害現(xiàn)象有上、下部結(jié)構(gòu)的震害、支座的震害、基礎(chǔ)的震害等幾類。
1、上部結(jié)構(gòu)的震害
從歷次強(qiáng)烈破壞性地震中人們發(fā)現(xiàn)．上部結(jié)構(gòu)自身因直接的地震動(dòng)效應(yīng)而毀壞的現(xiàn)象極為少見，但因支承連接件失效或下部結(jié)構(gòu)失效等引起的落梁、主粱的移動(dòng)、扭曲、裂縫等現(xiàn)象，在破壞性地震中常有發(fā)生，其中落梁現(xiàn)象最為嚴(yán)重。從粱體下落的形式看，有順橋向的，也有橫橋向的和扭轉(zhuǎn)滑移的。但統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，順橋向的落梁約占全部橋梁落梁總數(shù)的70％～85％。梁在順橋向發(fā)生墜落時(shí)，梁端撞擊橋墩側(cè)壁，給下部結(jié)構(gòu)帶來很大的破壞，從而有可能造成更大的震害。
2、下部結(jié)構(gòu)的震害
地震動(dòng)引起的下部結(jié)構(gòu)破壞主要是橋墩的破壞，一般是從接縫處的輕微斷裂開始，繼而擴(kuò)展到四周而造成破壞。震害的進(jìn)一步發(fā)展，會(huì)導(dǎo)致斷裂面上下的墩身移位，最終使斷裂面以上的墩身翻落而釀成極大的震害。
3、支座的震害
橋梁支座是橋梁抗震的薄弱部位，震害極為普遍。由于支座的破壞會(huì)引起力的傳遞方式變化，從而對(duì)結(jié)構(gòu)其他部位的抗震產(chǎn)生影響，進(jìn)一步加重震害。破壞形式主要表現(xiàn)為活動(dòng)支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞。
4、基礎(chǔ)的震害
地震引起地基的液化，使地基承載力下降，引起基礎(chǔ)下沉?；A(chǔ)下沉進(jìn)一步引起橋梁墩臺(tái)的沉陷，造成橋梁的震害。這種情況多出現(xiàn)在承載力不很高的砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂土等地基中。地基的液化使其剪切強(qiáng)度大大降低，會(huì)使橋梁基礎(chǔ)及橋臺(tái)沿液化層水平滑移或轉(zhuǎn)動(dòng)。
二、橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則
在橋梁抗震計(jì)算中，早期結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算采用的是靜力理論。靜力法假定整個(gè)上部結(jié)構(gòu)隨地面做剛體平移運(yùn)動(dòng)，則結(jié)構(gòu)各個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的水平地震作用最大值即為該點(diǎn)質(zhì)量與地面運(yùn)動(dòng)最大加速度的乘積，然后按靜力分析方法求出地震效應(yīng)。因此．靜力法屬于一種等效靜力分析法。靜力法將上部結(jié)構(gòu)看作剛體，未考慮上部結(jié)構(gòu)變形對(duì)地震作用的影響，也未考慮地震作用隨時(shí)間的變化及其與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的關(guān)系，這使得靜力法的結(jié)果具有較大的近似性。它以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作為破壞準(zhǔn)則，即以結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)小于結(jié)構(gòu)的抗力效應(yīng)時(shí)認(rèn)為安全的，一般稱為一階段抗震設(shè)計(jì)方法。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，發(fā)展了直接求解結(jié)構(gòu)地震強(qiáng)迫振動(dòng)方程的研究，建立時(shí)程分析法。時(shí)程分析法能更真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)隨時(shí)間變化的全過程，并可處理強(qiáng)震下結(jié)構(gòu)的彈塑性變形。因此己成為抗震分析的一種重要方法。但由于時(shí)程分析法計(jì)算分析量大，因此目前大多數(shù)的國家對(duì)常用的橋梁結(jié)構(gòu)型式的中小跨橋梁仍采用反應(yīng)譜理論計(jì)算，但對(duì)于重要、復(fù)雜、大跨的橋梁抗震計(jì)算都建議或要求采用時(shí)程分析法。由于發(fā)展了時(shí)程分析方法，使橋梁抗震計(jì)算從單一強(qiáng)度保證轉(zhuǎn)入強(qiáng)度、變形(延性)的雙重保證，為發(fā)展二階段抗震計(jì)算方法提供了分析基礎(chǔ)。
由于中、小地震發(fā)生的頻率高，可能性大，為了不使結(jié)構(gòu)因累積損傷而影響其使用功能，故要求在常發(fā)地震處，結(jié)構(gòu)處于彈性范圍內(nèi)工作，以強(qiáng)度破壞作準(zhǔn)則。而大地震在結(jié)構(gòu)使用壽命期內(nèi)發(fā)生的概率較小，是一種突發(fā)的特殊荷載，要結(jié)構(gòu)彈性地抵抗它，既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)，可以允許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形和有限度的損傷，以結(jié)構(gòu)的延性(常用的定義是結(jié)構(gòu)彈塑性最大變形值與結(jié)構(gòu)屈服極限變形之比)作為破壞準(zhǔn)則。目前橋梁抗震設(shè)計(jì)正向兩階段設(shè)計(jì)方法的方向轉(zhuǎn)變，小地震采用彈性理論、大地震采用彈塑性理論設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防原則。
三、橋梁抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)問題
1、橋梁抗震概念設(shè)計(jì)
為達(dá)到合理的抗震目的，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)以及地震災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)原則，合理而有效的解決抗震結(jié)構(gòu)的方案、材料、細(xì)部構(gòu)造等問題即為抗震設(shè)計(jì)理念。一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是否合理，主要看剛度、強(qiáng)度、延性等指標(biāo)的組合是否合理，如果合理，便是合理的抗震設(shè)計(jì)。強(qiáng)調(diào)抗震的概念設(shè)計(jì)是為抗震計(jì)算創(chuàng)造有利的條件從而準(zhǔn)確而真實(shí)的反應(yīng)地震發(fā)生的實(shí)際情況，并不是重視什么數(shù)值計(jì)算。因此，當(dāng)進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)要求選擇最優(yōu)的抗震結(jié)構(gòu)體系。
2、地震響應(yīng)分析及抗震設(shè)計(jì)方法的改變
隨著科學(xué)水平的不斷發(fā)展，專家學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性以及地震動(dòng)的理解也越來越全面，所以目前也已經(jīng)發(fā)展出了多種地震響應(yīng)分析的設(shè)計(jì)方法以及抗震設(shè)計(jì)理論。目前抗震設(shè)計(jì)的理論主要有靜力理論、動(dòng)力理論以及反應(yīng)譜理論三種。無論是從地震的持續(xù)時(shí)間、頻譜以及振幅地震三要素分析，還是從地震的反應(yīng)分析方法、設(shè)計(jì)原則、輸入地震動(dòng)以及結(jié)構(gòu)和構(gòu)建的動(dòng)力模型抗震理論的四要素分析，動(dòng)力理論都是考慮最全面、研究最精細(xì)的理論。
3、橋梁結(jié)構(gòu)延性的抗震設(shè)計(jì)
目前在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的延性進(jìn)行抗震驗(yàn)算時(shí)采用的破壞準(zhǔn)則主要有以下幾種：變形破壞準(zhǔn)則、能量破壞準(zhǔn)則，強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則、用最大變形和滯回耗能來表達(dá)的雙重指標(biāo)破壞準(zhǔn)則等幾種準(zhǔn)則。橋梁結(jié)構(gòu)延性的破壞機(jī)理可以總結(jié)為：當(dāng)不完全進(jìn)入塑性形變之前就已經(jīng)出現(xiàn)了某種程度的塑性變形，這樣消耗的能量便成為了有效粘滯阻尼的一部分；當(dāng)進(jìn)人完全的塑性形變時(shí)，抗震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單方向的塑性漂移并沿其方向發(fā)展直至結(jié)構(gòu)倒塌。因此若要保證在塑性形變的階段結(jié)構(gòu)不被破壞甚至倒塌，首要就要確保結(jié)構(gòu)有足夠的耗能能力。
4、多階段抗震設(shè)計(jì)方法
隨著近些年科學(xué)水平的不斷提高，抗震設(shè)計(jì)研究人員對(duì)在地震作用下，抗震結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理以及構(gòu)建能力的研究等方面的理解及認(rèn)識(shí)也越來越深，同時(shí)在不同概率的地震作用下，結(jié)構(gòu)的預(yù)期性能目標(biāo)也是不同的，因此抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)防水準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則都有了顯著的提高。設(shè)計(jì)方法也從單一設(shè)防水準(zhǔn)一階段逐漸改善為多水準(zhǔn)多階段的設(shè)計(jì)方法。
結(jié)束語
現(xiàn)階段是我國公路建設(shè)的高峰期，還有很多高速公路橋粱需要建設(shè)。作為設(shè)計(jì)工作者，需要不斷完善自己的設(shè)計(jì)作品，更好地服務(wù)于公路建設(shè)，大家共同總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。采取有效的措施來進(jìn)一步提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力，進(jìn)而提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，同時(shí)在各地因地制宜，采用適合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)，相信我國橋梁的抗震性能一定能步入新的臺(tái)階。
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