淺議橋梁抗震設(shè)計(jì)
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(jì)損失，因此對(duì)橋梁的抗震能力也提出了很大的要求?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，正確地解決結(jié)構(gòu)總體方案、材料使用和細(xì)部構(gòu)造，以達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的。合理的抗震設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度和延性等指標(biāo)上有最佳的組合，使結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防的目標(biāo)。
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(hù)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(dāng)結(jié)構(gòu)受到的剪切力超過截而剪切強(qiáng)度時(shí)發(fā)生剪切破壞。
（3） 落梁破壞。當(dāng)梁體的水平位移超過梁端支撐長度時(shí)發(fā)生落梁破壞。落梁破壞是由于梁與橋墩的相對(duì)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(duì)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(dāng)傳遞荷載超過支座設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)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(duì)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(jì)原則
合理的抗震設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度和延性等指標(biāo)上有最佳的組合，使結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防的目標(biāo)。以下為抗震設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能遵循的一些基本原則：
?。?）場(chǎng)地選擇原則：避免地震時(shí)可能發(fā)生地基失效的松軟場(chǎng)地，選擇堅(jiān)硬場(chǎng)地。
（2）能力設(shè)計(jì)原則：能力設(shè)計(jì)思想強(qiáng)調(diào)強(qiáng)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(qiáng)度安全度。
（3）提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度和延性。橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞源于地震動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，因此抗震設(shè)計(jì)要力圖使從地基傳入結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量為最小，并使結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、剛度和延性，以防止不能容忍的破壞。
（4）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(shí)被震散掉落，同時(shí)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(qiáng)地震動(dòng)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(jì)
（1）抗震概念設(shè)計(jì)
對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)來說“, 概念設(shè)計(jì)”比“計(jì)算設(shè)計(jì)”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(jì)算模型的假定與實(shí)際情況的差異,使“計(jì)算設(shè)計(jì)”很難控制結(jié)構(gòu)的抗震性能,因而不能完全依賴計(jì)算。結(jié)構(gòu)抗震性能的決定因素是良好的“概念設(shè)計(jì)”。因
此,在橋梁的方案設(shè)計(jì)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(jì)時(shí),為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)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(jì),橋墩形式的選取,過渡孔處連接部位的設(shè)計(jì)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(qiáng)震下進(jìn)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(chǎng)地條件下確實(shí)是良好的抗震體系, 必須進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析 ,然后結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位, 并進(jìn)一步分析是否能通過配筋或構(gòu)造設(shè)計(jì)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(píng)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(jì)方案。
?。?） 橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 目前延性抗震驗(yàn)算所采用的破壞準(zhǔn)則主要有：強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則、變形破壞準(zhǔn)則、能量破壞準(zhǔn)則、基于低周疲勞特征的破壞準(zhǔn)則以及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。Housner在對(duì)懸臂式單質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的非線性地震反應(yīng)進(jìn)行分析后，將其破壞機(jī)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(dāng)完全進(jìn)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(rèn)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。
（3）橋梁減、隔震設(shè)計(jì)
減、隔震技術(shù)是簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)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(dá)到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和場(chǎng)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(diǎn)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(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)的效果,需要進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析來驗(yàn)證。
?。?） 多階段設(shè)計(jì)方法 隨著對(duì)地震產(chǎn)生機(jī)理、地震動(dòng)特性以及地震作用下各類結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、破壞機(jī)理、構(gòu)件能力研究認(rèn)識(shí)的加深以及對(duì)結(jié)構(gòu)在不同發(fā)生概率地震作用下預(yù)期性能目標(biāo)的不同，促使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)原則、設(shè)防水準(zhǔn)等各個(gè)方面進(jìn)行不斷改進(jìn)。由原來的單一設(shè)防水準(zhǔn)一階段設(shè)計(jì)逐漸改進(jìn)為雙水準(zhǔn)或三水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)、三階段設(shè)計(jì)，以及多水準(zhǔn)設(shè)防、多性能目標(biāo)準(zhǔn)則的基于結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)等。
四、抗震加固技術(shù)
在加固技術(shù)實(shí)施之前，應(yīng)先對(duì)抗震能力進(jìn)行評(píng)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(jì)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(duì)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(qiáng)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(duì)隔震而言,利用周期、阻尼與位移等相依變量進(jìn)行參數(shù)分析,配合加固目標(biāo)的訂定,最后提出結(jié)合位移設(shè)計(jì)法的隔震裝置加固設(shè)計(jì)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(duì)減震而言,亦可結(jié)合位移設(shè)計(jì)法進(jìn)行減震加固設(shè)計(jì)。可使用替代結(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(jìn)行粘滯性阻尼器的加固設(shè)計(jì)。
