淺論橋梁抗震設計
2015-04-07
二零零八年五月十二日十四時二十八分——每個中華兒女都不會忘記也不應該忘記的時刻，四川汶川、北川發(fā)生里氏8.0級地震，地震造成69227人遇難，374643人受傷，17923人失蹤。此次地震為新中國成立以來國內(nèi)破壞性最強、波及范圍最廣、總傷亡人數(shù)最多的一次地震，地震帶給人們的思考是深刻的，作為工程技術人員，如何在工作中保證工程的抗震性能是我們必須面對和思索的。
一、概念設計
地震是由構造地面運動、火山作用、滑坡、巖爆和人工爆破等引起的自然發(fā)生的地面振動，在鄰近區(qū)域會引起很強的震害，既而造成人員傷亡及財產(chǎn)損失。人們對地震的探索和研究使公路橋梁的抗震設計準則不斷地改進和提高。70年代以來，人們在總結(jié)大地震災害經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)：由于地震動的不確定性和復雜性，再加上結(jié)構計算模型與實際情況的差異，使“計算設計”很難有效的控制結(jié)構的抗震性能，對橋梁抗震設計來說，“概念設計”比“計算設計”更為重要。結(jié)構抗震性能的決定因素是良好的“概念設計”。 在橋梁的方案設計階段，不能僅僅根據(jù)功能要求和靜力分析就決定方案的取舍，而要綜合考慮橋梁的抗震性能，盡可能選擇良好的抗震結(jié)構體系。
通過對現(xiàn)有的橋梁設計規(guī)范進行對比與總結(jié)，如今的橋梁抗震設計主要有下面一些理念：
1. 采用了“小震不壞，中震可修，大震不倒”三水準設防的抗震理念；
2. 采用了對應于中震和大震的強度和變形的兩階段設計方法。第一階段的抗震設計，采用彈性抗震設計，即對應E1地震作用的抗震設計；第二階段的抗震設計，采用延性抗震設計方法，并引入能力保護設計原則。即對應E2地震作用的抗震設計，能保證結(jié)構具有足夠的延性能力，通過驗算，確保結(jié)構的延性能力大于延性需求。
3. 采用兩水平設防的設計方法。兩水平的抗震設計方法要求結(jié)構在兩個概率水平的地震作用下分別達到兩個不同的性能標準。
4. 提出了能力保護設計原則。其基本思想是：通過設計，要求在一座橋梁的延性構件和能力保護構件形成強度等級差異，確保結(jié)構構件不發(fā)生脆性的破壞模式，確保塑性鉸只在選定的位置如墩柱出現(xiàn)，并且不出現(xiàn)剪切破壞等破壞模式。它既保證了結(jié)構的延性，同時最大限度地避免了地震破壞的隨機性。
5. 提出了基于性能的抗震設計方法。性能化設計仍然是以現(xiàn)有的抗震科學水平和經(jīng)濟條件為前提的，是立足于承載力和變形能力的綜合考慮，可以對整個結(jié)構，也可以對某些部位或關鍵構件，靈活運用各種措施達到預期的性能目標——著重提高抗震安全性或滿足使用功能的專門要求，具有很強的針對性和靈活性。對于確有需要在處于發(fā)震斷裂避讓區(qū)域建造的橋梁，可選擇抗震性能化設計。
6. 定義了標準橋梁與非標準橋梁。非標準橋梁的特點是具有不規(guī)則的幾何形狀和結(jié)構框架（變寬度的、水平彎曲較大的上部結(jié)構、質(zhì)量、剛度或高度不對稱）及不尋常的地質(zhì)條件（軟土、中高潛在液化和接近地震斷層）。標準橋梁不包括這些特征。
7. 引入了減隔震設計。在橋梁抗震設計中，引入隔震技術的目的就是利用隔震裝置在滿足正常使用的前提下，達到延長結(jié)構周期、消耗地震能量、降低結(jié)構響應的目的。但對基礎土層不穩(wěn)定、易于發(fā)生液化的場地，下部結(jié)構剛度小、橋梁結(jié)構本身的基本振動周期比較長等情況不宜采用隔震技術。
8. 給出了特殊橋梁抗震設計原則。特殊橋梁的大部分質(zhì)量集中在上部結(jié)構，因而地震慣性力也主要集中在上部結(jié)構，采用良好的抗震結(jié)構體系能使各部分結(jié)構合理地分擔地震力。斜拉橋在列席較高的地區(qū)優(yōu)先考慮飄浮體系，若梁端位移過大則采用塔、梁彈性約束或阻尼約束體系；大跨徑拱橋的主拱圈需采用抗扭剛度較大、整體性較好的斷面形式，并加強拱肋之間的橫向聯(lián)系，以提高主拱圏橫向剛度和整體性。
9. 加強和細化了抗震措施。橋梁結(jié)構地震反應越強烈，就越容易發(fā)生落梁等嚴重破壞現(xiàn)象，構造措施就越重要，高烈度區(qū)的橋梁結(jié)構需特別重視構造措施，但構造措施的使用不能與定量設計結(jié)果相矛盾，不能導致設計結(jié)果的失效。
二、橋梁抗震計算設計
橋梁抗震設計除了需要遵循以上的概念設計的相關規(guī)定外還需進行計算設計，抗震計算必須以地震場地運動為依據(jù)，可惜由于實際強震記錄的不足，這個關鍵問題還未能很好的解決，因此仍然是結(jié)構抗震設計計算中最為薄弱的環(huán)節(jié)。目前主要根據(jù)橋址區(qū)地質(zhì)構造情況、地震歷史資料、場地情況并參考地面運動的記錄來確定地震參數(shù)。
由于地震動過程本身帶有隨機過程的性質(zhì)，設計計算中所用的地震動參數(shù)有具有不確定性，從而發(fā)展了兩種地震力理論，一種是以地震運動為確定過程的確定性地震力理論，另一種是以地震運動為隨機過程的概率性地震力理論。目前概率性地震力理論還不成熟，規(guī)范中普遍采用的是確定性地震力理論。
確定性地震力理論方法主要有靜力法、動力反應譜法和動態(tài)時程分析法。
1、靜力法
靜力法是假定結(jié)構物與地震動具有相同的振動，把結(jié)構物在地面運動加速度作用下產(chǎn)生的慣性視作靜力作用于結(jié)構物上做抗震計算。它的缺點是忽略了結(jié)構動力特性這一重要因素，只適用于剛度很大的結(jié)構，如重力式橋臺等。
2、動力反應譜法
動力反應譜法同時考慮了地面運動和結(jié)構動力學特性的影響，比靜力法有很大進步。
它以不同單自由度體系的周期為坐標，以不同阻尼比為參數(shù)，求出最大相對位移，最大相對速度，最大絕對加速度的譜曲線，分別簡稱為位移反應譜（SD）、速度反應譜（PSV）和加速度反應譜（PSA），這三條反應譜曲線合起來簡稱為反應譜。
反應譜方法巧妙的將動力問題靜力化，概念簡單、計算方便，可以用較少的計算量獲得結(jié)構的最大反應，是目前世界各國規(guī)范都把它作為一種基本的分析手段。
反應譜法也存在一些缺陷，如它只是線彈性分析方法，不能考慮各種非線性因素的影響；只能得到最大反應；存在振型組合問題；只重視強度，忽略了延性能力等。
3、動態(tài)時程分析法
對重要、復雜、大跨的橋梁，大多數(shù)國家的規(guī)范都建議采用動態(tài)時程分析法進行抗震計算。
動態(tài)時程分析法從選定合適的地震動輸入出發(fā)，采用多節(jié)點多自由度的結(jié)構有限元動力計算模型建立地震振動方程，然后采用逐步積分法對方程進行求解，計算地震過程中每一瞬時結(jié)構的位移、速度和加速度反應，從而可以分析出結(jié)構在地震作用下彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化以及構件逐步開裂、損壞直到倒塌的全過程。
動態(tài)時程分析方法可以精確地考慮地基和結(jié)構的相互作用、地震時程相位差及不同地震時程多分量多點輸入等問題，可以同時保證橋梁的強度、變形，幫助工程師更清楚地震破壞機理。
在實際工作中，我們要運用橋梁抗震設計的設計思想，有效的完成橋梁設計工作，做好橋梁抗震設防，滿足安全可靠、適用耐久、技術先進、經(jīng)濟合理與環(huán)境相協(xié)調(diào)的要求，更好的保證人民和國家的生命財產(chǎn)安全。
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