淺議橋梁抗震設(shè)計
2015-04-10
隨著我國交通業(yè)的發(fā)展，橋梁工程的重要性日益突出,加之近年來地震災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生，給國家和人民帶來了極大的經(jīng)濟損失，因此對橋梁的抗震能力也提出了很大的要求?？拐鸶拍钤O(shè)計是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，正確地解決結(jié)構(gòu)總體方案、材料使用和細部構(gòu)造，以達到合理抗震設(shè)計的目的。合理的抗震設(shè)計，要求設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)在強度、剛度和延性等指標上有最佳的組合，使結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)濟地實現(xiàn)抗震設(shè)防的目標。
一、橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的主要形式
（1）彎曲破壞。結(jié)構(gòu)在水平地震荷載作用下由于過大的變形導(dǎo)致混凝土保護層脫落、鋼筋壓屈和內(nèi)部混凝土壓碎、崩裂，結(jié)構(gòu)失去承載能力。
（2） 剪切破壞。在水平地震作用下，當結(jié)構(gòu)受到的剪切力超過截而剪切強度時發(fā)生剪切破壞。
（3） 落梁破壞。當梁體的水平位移超過梁端支撐長度時發(fā)生落梁破壞。落梁破壞是由于梁與橋墩的相對位移過大，支座喪失約束能力后引起的一種破壞形式。發(fā)生在橋墩之間地震相對位移過大、梁的支撐長度不夠、支座破壞、梁間地震碰撞等情況。
（4）支座損傷。上部結(jié)構(gòu)的地震慣性力通過支座傳到下部結(jié)構(gòu)，當傳遞荷載超過支座設(shè)計強度時支座發(fā)生損傷、破壞。支座損傷也是引起落梁破壞的主要原因。對于下部結(jié)構(gòu)而言，支座損傷可以避免上部結(jié)構(gòu)的地震荷載傳到橋墩，避免橋梁發(fā)生破壞。
二、橋梁抗震設(shè)計原則
合理的抗震設(shè)計，要求設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)在強度、剛度和延性等指標上有最佳的組合，使結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)濟的實現(xiàn)抗震設(shè)防的目標。以下為抗震設(shè)計應(yīng)盡可能遵循的一些基本原則：
?。?）場地選擇原則：避免地震時可能發(fā)生地基失效的松軟場地，選擇堅硬場地。
?。?）能力設(shè)計原則：能力設(shè)計思想強調(diào)強度安全度差異，即在不同構(gòu)件和不同破壞模式之間確立不同的強度安全度。
?。?）提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強度和延性。橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞源于地震動引起的結(jié)構(gòu)振動，因此抗震設(shè)計要力圖使從地基傳入結(jié)構(gòu)的振動能量為最小，并使結(jié)構(gòu)具有適當?shù)膹姸?、剛度和延性，以防止不能容忍的破壞?br />
?。?）體系的整體性和規(guī)則性。橋梁的整體性要好，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能是連續(xù)的。較好的整體性可防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時被震散掉落，同時它也是結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用的基本條件。
?。?）多道抗震防線。應(yīng)盡量使橋梁成為具有多道抵抗地震側(cè)向力的體系，則在強地震動過程中，一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結(jié)構(gòu)，避免倒塌。因此，超靜定結(jié)構(gòu)優(yōu)于同種類型的靜定結(jié)構(gòu)。
三、抗震設(shè)計
?。?）抗震概念設(shè)計
對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計來說“, 概念設(shè)計”比“計算設(shè)計”更為重要。正是由于地震發(fā)生的不確定性和復(fù)雜性, 再加上結(jié)構(gòu)計算模型的假定與實際情況的差異,使“計算設(shè)計”很難控制結(jié)構(gòu)的抗震性能,因而不能完全依賴計算。結(jié)構(gòu)抗震性能的決定因素是良好的“概念設(shè)計”。因
此,在橋梁的方案設(shè)計階段,不能僅僅根據(jù)功能要求和靜力分析就決定方案的取舍,還應(yīng)考慮橋梁的抗震性能,盡可能選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系。在抗震概念設(shè)計時,為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和抗震安全性,要特別重視上、下部結(jié)構(gòu)連接部位的設(shè)計,橋墩形式的選取,過渡孔處連接部位的設(shè)計以及塑性鉸預(yù)期部位的選擇。通常允許橋梁結(jié)構(gòu)在強震下進入塑性工作狀態(tài), 在預(yù)期的部位形成塑性鉸以耗散能量,但不允許出現(xiàn)脆性破壞,如剪切破壞。為了保證所選擇的結(jié)構(gòu)體系在橋址處的場地條件下確實是良好的抗震體系, 必須進行簡單的分析 ,然后結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計分析結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位, 并進一步分析是否能通過配筋或構(gòu)造設(shè)計保證這些部位的抗震安全性。最后,根據(jù)分析結(jié)果綜合評判結(jié)構(gòu)體系抗震性能的優(yōu)劣,決定是否要修改設(shè)計方案。
?。?） 橋梁延性抗震設(shè)計 目前延性抗震驗算所采用的破壞準則主要有：強度破壞準則、變形破壞準則、能量破壞準則、基于低周疲勞特征的破壞準則以及用最大變形和滯回耗能來表達的雙重指標破壞準則等。Housner在對懸臂式單質(zhì)點系統(tǒng)的非線性地震反應(yīng)進行分析后，將其破壞機理總結(jié)為：在形成完全的塑性反應(yīng)之前，出現(xiàn)某種程度的塑性應(yīng)變，由此而消耗的能量自然的構(gòu)成結(jié)構(gòu)等效粘滯阻尼的一部分；當完全進入塑性變形后，產(chǎn)生塑性漂移，并在單方向發(fā)展直到倒塌發(fā)生。他認為塑性反應(yīng)階段，保證結(jié)構(gòu)不破壞的條件是讓其保有足夠的耗能能力。
?。?）橋梁減、隔震設(shè)計
減、隔震技術(shù)是簡便、經(jīng)濟、先進的工程抗震手段。減、隔震裝置是通過增大結(jié)構(gòu)主要振型的周期使其落在地震能量較少的范圍內(nèi)或增大結(jié)構(gòu)的能量耗散能力來達到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。在進行抗震設(shè)計時,要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和場地地震波的頻率特性,通過選用合適的減隔震裝置、相應(yīng)參數(shù)以及設(shè)置方案,合理分配結(jié)構(gòu)的受力和變形。一方面,應(yīng)將重點放在提高吸收能量能力從而增大阻尼和分散地震力上,不可過分追求加長周期。另一方面,應(yīng)選用作用機構(gòu)簡單的減、隔震體系,并在其力學(xué)性能明確的范圍內(nèi)使用。減、隔震設(shè)計的效果,需要進行非線性地震反應(yīng)分析來驗證。
（4） 多階段設(shè)計方法 隨著對地震產(chǎn)生機理、地震動特性以及地震作用下各類結(jié)構(gòu)動力特性、破壞機理、構(gòu)件能力研究認識的加深以及對結(jié)構(gòu)在不同發(fā)生概率地震作用下預(yù)期性能目標的不同，促使結(jié)構(gòu)設(shè)計在設(shè)計原則、設(shè)防水準等各個方面進行不斷改進。由原來的單一設(shè)防水準一階段設(shè)計逐漸改進為雙水準或三水準兩階段設(shè)計、三階段設(shè)計，以及多水準設(shè)防、多性能目標準則的基于結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計等。
四、抗震加固技術(shù)
在加固技術(shù)實施之前，應(yīng)先對抗震能力進行評估。主要是先決定墩柱的破壞形式及墩柱的最大延性能力, 其次計算整體屈服的地震加速度及整體的最大延性能力,最后算出橋梁的抗震能力值。
1 橋梁震害加固技術(shù)措施
針對橋梁在地震中的震害類型,目前,國內(nèi)外橋梁抗震加固主要采取以下技術(shù)措施:
(1) 在伸縮縫、鉸和梁端等上部接縫處采用拉桿、擋塊或者增加支承面寬度等措施,以防止落梁震害的發(fā)生;
(2)增加鋼筋混凝土橋墩的橫向約束, 提高其抗彎延性和抗剪強度,防止橋墩彎曲和剪切震害;
(3)采用減隔震技術(shù)及專門的耗能裝置,提高橋梁的抗震性能。例如采用鉛芯橡膠耗能支座等。對隔震而言,利用周期、阻尼與位移等相依變量進行參數(shù)分析,配合加固目標的訂定,最后提出結(jié)合位移設(shè)計法的隔震裝置加固設(shè)計程序。隔震裝置的分析采用鉛芯橡膠支座
(LRB)以及摩擦單擺支座(FPS)兩種。對減震而言,亦可結(jié)合位移設(shè)計法進行減震加固設(shè)計?？墒褂锰娲Y(jié)構(gòu)法,將結(jié)構(gòu)以等效勁度及等效阻尼比以線性迭代的方式來進行粘滯性阻尼器的加固設(shè)計。
