地震具有突發(fā)性與毀滅性，一次地震，持續(xù)時(shí)間往往只有幾十秒，卻會(huì)造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，這是其它自然災(zāi)害無(wú)法相比的。歷來(lái)是嚴(yán)重危害人類(lèi)的大自然災(zāi)害，尤其是最近20年全球發(fā)生的許多次大地震，其中，多次破壞性地震都集中在城市，造成了非常慘重的生命財(cái)產(chǎn)損失。城市地震的共同特點(diǎn)是：由于橋梁工程遭到嚴(yán)重破壞，切斷了震區(qū)交通生命線(xiàn)工程，造成救災(zāi)工作的巨大困難，使次生災(zāi)害加重，對(duì)交通線(xiàn)的依賴(lài)性越來(lái)越強(qiáng)，而一旦地震使交通線(xiàn)遭到破壞，可能導(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)以及間接經(jīng)濟(jì)損失也將會(huì)越來(lái)越大。數(shù)次大地震一再顯示橋梁工程破壞的嚴(yán)重后果，也再次顯示了橋梁工程抗震研究的重要性。
1.橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法
1.1靜力法
早期結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算采用的是靜力理論。靜力計(jì)算理論假設(shè)結(jié)構(gòu)物各個(gè)部分與地震動(dòng)具有相同的振動(dòng)。此時(shí)，結(jié)構(gòu)物只受慣性力的作用（等于地面運(yùn)動(dòng)加速度乘以結(jié)構(gòu)物質(zhì)量）。即忽略地面運(yùn)動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性因素，只是簡(jiǎn)單地把結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的動(dòng)力反應(yīng)看作是靜止的地震慣性力。在地震慣性力的作用下分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。1915年，佐野提出震度法，即根據(jù)靜力法的概念提出以結(jié)構(gòu)的10%的重量作為水平地震荷載，于1923年關(guān)東大地震后的次年建立了最早的橋梁下部結(jié)構(gòu)工程的抗震分析方法。從動(dòng)力學(xué)的角度分析，把地震加速度看作是結(jié)構(gòu)破壞的單一因素有極大的局限性，因?yàn)樗雎粤私Y(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性這一重要因素。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)物的基本固有周期比地面卓越周期小很多時(shí)，結(jié)構(gòu)物在地震振動(dòng)時(shí)才可能幾乎不產(chǎn)生變形而被當(dāng)作剛體，靜力法才能成立。由于其理論上的局限性，現(xiàn)在已較少使用，但其概念簡(jiǎn)單，計(jì)算公式簡(jiǎn)明扼要，在橋臺(tái)和擋土結(jié)構(gòu)等質(zhì)量較大的剛性結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算中仍常常用到。
1.2彈性反應(yīng)譜法
反應(yīng)譜法是當(dāng)前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中廣泛使用的方法。反應(yīng)譜法是采用“地震荷載”的概念，從地震動(dòng)出發(fā)求結(jié)構(gòu)的最大地震反應(yīng)，但同時(shí)考慮了地面運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，比靜力法有很大的進(jìn)步。反應(yīng)譜是不同固有頻率的單質(zhì)點(diǎn)體系在一定阻尼系數(shù)的條件下輸入不同地面運(yùn)動(dòng)后得到的位移反應(yīng)、速度反應(yīng)和加速度反應(yīng)最大值的平滑處理過(guò)的外包絡(luò)曲線(xiàn)。反應(yīng)譜法用于抗震計(jì)算包括三個(gè)基本步驟：第一步是獲得地震動(dòng)反應(yīng)譜；第二步是將結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程進(jìn)行振型分解，將物理位移用振型廣義坐標(biāo)表示，而廣義坐標(biāo)的最大值由第一步中所得反應(yīng)譜求得；第三步是反應(yīng)量的最大值可通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒▽⒏髡裥头磻?yīng)最大值進(jìn)行線(xiàn)性疊加，得出這項(xiàng)反應(yīng)的最大值。
反應(yīng)譜法概念簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，可以用較小的計(jì)算量獲得結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)值。采用反應(yīng)譜法只需取少數(shù)幾個(gè)低階振型就可以求得較為滿(mǎn)意的結(jié)果，計(jì)算量少，且反應(yīng)譜法將動(dòng)力問(wèn)題轉(zhuǎn)化成擬靜力問(wèn)題，易為工程師所接受。采用反應(yīng)譜法不能考慮多點(diǎn)激勵(lì)，不能進(jìn)行非線(xiàn)性地震反應(yīng)分析。
1.3時(shí)程分析法
動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法從選定合適的地震動(dòng)輸入出發(fā)，采用多節(jié)點(diǎn)多自由度的結(jié)構(gòu)有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型建立地震振動(dòng)方程，然后采用逐步積分法對(duì)方程進(jìn)行求解，計(jì)算地震過(guò)程中結(jié)構(gòu)每一瞬時(shí)的位移、速度和加速度反應(yīng)，從而可以分析出結(jié)構(gòu)在地震作用下彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化以及構(gòu)件逐步開(kāi)裂、損壞直至倒塌的全過(guò)程。這一計(jì)算過(guò)程相當(dāng)冗繁，須借助專(zhuān)用計(jì)算程序完成。動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法可以精確地考慮地基和結(jié)構(gòu)的相互作用，地震時(shí)程相位差及不同地震時(shí)程多分量多點(diǎn)輸入，結(jié)構(gòu)的各種復(fù)雜非線(xiàn)性因素（包括幾何、材料、邊界連接條件非線(xiàn)性）以及分塊阻尼等問(wèn)題，
建立結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算圖式和相應(yīng)地震振動(dòng)方程，使結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性地震反應(yīng)分析更趨于成熟與完善。
1.4 Push—over法
Push—over分析方法是將地震荷載等效成側(cè)向荷載，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增水平荷載來(lái)進(jìn)行分析的一種非線(xiàn)性靜力分析方法，它研究結(jié)構(gòu)在地震作用下進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)的非線(xiàn)性性能。采用對(duì)結(jié)構(gòu)施加呈一定分布的單調(diào)遞增水平力的加載方式，用二維或偽三維力學(xué)模型代替原結(jié)構(gòu)，按預(yù)先確定的水平荷載加載方式將結(jié)構(gòu)“推”至一個(gè)給定的目標(biāo)位移，來(lái)分析其進(jìn)入非線(xiàn)性狀態(tài)的反應(yīng)，從而得到結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的變形能力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及使用功能的要求。盡管這一方法還有待進(jìn)一步完善，但它基本可以滿(mǎn)足工程要求。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，Push over分析方法通常將相鄰伸縮
縫之間的橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)做空間獨(dú)立框架考慮，上部結(jié)構(gòu)通常假定為剛性，分析的初始階段是對(duì)單獨(dú)的排架墩在所考慮的方向上（順橋向或橫橋向）進(jìn)行獨(dú)立的倒塌分析，以獲得構(gòu)件在單調(diào)遞增水平荷載作用下的整個(gè)破壞過(guò)程和變形特征，從而發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。
2.橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算模型
2.1纜索單元
目前計(jì)算纜索線(xiàn)形的方法可以分為解析法和有限元法。在有限法計(jì)算纜索單元的非線(xiàn)性剛度矩陣有等效彈性模量、等效割線(xiàn)彈性模量法。
2.1.1等效彈性模量
在斜拉橋或懸索橋中，纜索的垂度影響纜索的表觀(guān)剛度，隨著纜索張力的增加，垂度減少，傾斜纜索的軸向表觀(guān)剛度增加，簡(jiǎn)便計(jì)算方法是Enst等效彈性模量計(jì)算方法。
2.1.2等效割線(xiàn)彈性模量
如果纜索拉力在施加一荷載=增量過(guò)程中從Ti增加到Tj，那么在荷載增量范圍內(nèi)等效割線(xiàn)彈性模量可表達(dá)為：
2.2支座單元
支座是橋梁結(jié)構(gòu)最易受地震作用損害的部位之一。支座及其它連接部件的力學(xué)性能和構(gòu)造特點(diǎn)對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和抗震性能的影響很大。橋梁減震、隔震措施也重點(diǎn)放在支座以及其它連接部位的減震耗能處理上面。正確地設(shè)計(jì)和描述支座的性能在橋梁抗震、減震和地震反應(yīng)分析中十分重要。
2.2.1支座系統(tǒng)
一般的橋梁支座由四部分組成。普通板式橡膠支座、滑板橡膠支座、弧形鋼板等耗能器、擋板或預(yù)應(yīng)力拉索。
2.2.2支座計(jì)算模型
普通板式橡膠支座的恢復(fù)力特性可近似按線(xiàn)彈性?；瑒?dòng)支座和弧形鋼板條耗能器均理想彈塑性的恢復(fù)力模式。對(duì)于滑動(dòng)支座模式的屈服力亦即最大滑動(dòng)摩擦力，考慮它隨相應(yīng)的正應(yīng)力的變化。
2.3樁土相互作用模型
2.3.1樁土結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)地震反應(yīng)影響
在動(dòng)力模型中，由于覆蓋土層的存在使得結(jié)構(gòu)體系變?nèi)幔瑥亩档土梭w系的固有頻率。橋梁結(jié)構(gòu)樁一土結(jié)構(gòu)相互作用，則是自由場(chǎng)地地震反應(yīng)加上考慮土壤對(duì)樁基約束作用的多點(diǎn)激振下的橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。
2.3.2大跨度橋梁樁基計(jì)算模型
在大跨度樁基橋梁非線(xiàn)性地震反應(yīng)分析中，樁基周?chē)恋募s束作用可以用等代土彈簧來(lái)代替。
用一個(gè)單質(zhì)點(diǎn)體系來(lái)代表橋梁上部結(jié)構(gòu)，用一個(gè)質(zhì)量一彈簧體系來(lái)代表樁基礎(chǔ)和地基，建立樁基橋梁平面和空間桿系有限元力學(xué)模型。
3.橋梁結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)
橋梁結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)應(yīng)放在避免橋梁墩臺(tái)破壞和提高其延性性能方面。根據(jù)震害事例分析：高柔的橋墩以彎曲型破壞為主，矮粗的橋墩以剪切型破壞為主，剛度介于兩者之間的多為混合型破壞。
3.1分析方法
最有效的方法是振型分析。除以應(yīng)用于彈性響應(yīng)計(jì)算外，也應(yīng)用于非彈性響應(yīng)計(jì)算。即基于彈性反應(yīng)譜的近似振型分析方法。用較軟和高阻尼的替代結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性振型分析的設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)改變頻率和增加阻尼可用彈性反應(yīng)譜方法彌補(bǔ)非彈性性能。
3.2 評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力和延性狀態(tài)
橋梁抗震設(shè)計(jì)分析結(jié)果通常要與結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度或延性能力進(jìn)行比較。使設(shè)計(jì)地震作用下的變形要求小于相應(yīng)在的狀態(tài)(正常使用極限狀態(tài)和最終極限狀態(tài))。橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)該設(shè)計(jì)成剪切能力超過(guò)設(shè)計(jì)彎矩值引起的剪力。
3.3 塑性鉸部位的設(shè)計(jì)選擇和延性能力設(shè)計(jì)
由于橋墩的結(jié)構(gòu)形式和地質(zhì)條件的不同，在承受較大地震作用時(shí)，橋墩上可能出現(xiàn)塑性鉸部位往往會(huì)不同。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和塑性鉸出現(xiàn)部位的可視性與可修復(fù)性的不同，對(duì)允許的水平位移要有一定的限制。塑性鉸不希望出現(xiàn)在橋梁的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的土層以下部位，而是出現(xiàn)在橋墩上。
對(duì)于結(jié)構(gòu)形式和抗震性能較好的橋墩以及產(chǎn)生塑性鉸區(qū)可視性和可修復(fù)性較好的橋墩，設(shè)計(jì)完全延性。對(duì)于結(jié)構(gòu)形式較差和產(chǎn)生塑性鉸的可視性與可修復(fù)性較差的結(jié)構(gòu)如橋臺(tái)等，則應(yīng)按彈性或基本彈性設(shè)計(jì)。
重視高烈度地震區(qū)橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)是必要的，但應(yīng)在滿(mǎn)足抗震設(shè)防目標(biāo)的前提下選擇合理的橋跨、橋式結(jié)構(gòu)方案，盡可能將工程投資的費(fèi)用控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。當(dāng)前，我國(guó)的高速公路、鐵路正處在大規(guī)模建設(shè)之際，應(yīng)更加重視橋梁抗震設(shè)計(jì)。
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