橋梁抗震設(shè)計(jì)
2015-05-25
我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，地震中，橋梁的破壞將導(dǎo)致交通中斷，這不但會(huì)影響人們的正常生活和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且將嚴(yán)重影響震后救災(zāi)工作，使人員不能安全順利疏散，并阻礙向?yàn)?zāi)區(qū)緊急輸送救援人員和救災(zāi)物資，從而加劇地震災(zāi)害。為了保障公路橋梁設(shè)施的完好，就需要在橋梁設(shè)計(jì)中對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)有充分的重視。
1 橋梁抗震分析方法
人類對(duì)地震的研究也不斷地獲得進(jìn)步，特別是近半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)地震的破壞機(jī)理已有了深入的認(rèn)識(shí)，并發(fā)展了各種抗震分析方法。橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析方法可以分為確定性方法和概率性方法兩大類。確定性方法是以確定性的荷載作用于結(jié)構(gòu)，求解該確定性荷載作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的方法。概率性方法將地震作用視為隨機(jī)過(guò)程，以此隨機(jī)地震作用于結(jié)構(gòu)，求出結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)統(tǒng)計(jì)量。
1.1 確定性抗震分析方法
1.1.1 靜力分析法
靜力分析是國(guó)際上最早形成的抗震分析理論。20 世紀(jì)初，日本學(xué)者提出水平最大加速度是造成地震破壞的重要因素，并提出按等效靜力分析求地震效應(yīng)的方法。將結(jié)構(gòu)看作剛體，不考慮變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，也不考慮地震作用隨時(shí)間的變化及其與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的關(guān)系，結(jié)構(gòu)各質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用最大值為該質(zhì)點(diǎn)與地面運(yùn)動(dòng)加速度的乘積。
在20世紀(jì)60年代末又提出了非線形靜力Pushover分析方法——推倒分析方法，最近幾年來(lái)，Pushover法得到了較大的發(fā)展，并得到了廣泛的應(yīng)用，分析過(guò)程一般需要借助計(jì)算機(jī)程序完成。其基本假定為:（1）多自由度結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)與一等效單自由度體系相關(guān)，即結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要由第一振型控制。（2）結(jié)構(gòu)物沿高度變形的形狀向量，在整個(gè)地震反應(yīng)過(guò)程中保持不變。Pushover法是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增荷載來(lái)進(jìn)行分析的一種非線性靜力分析方法，它研究結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下進(jìn)入塑性倒塌狀態(tài)時(shí)的非線性性能。該方法通常把相鄰伸縮縫之間的結(jié)構(gòu)當(dāng)作是空間的獨(dú)立框架考慮，并且假定上部結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)是相對(duì)剛性的。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)立的倒塌分析和整個(gè)框架的分析，將橋墩剛度模擬為非線性彈簧，計(jì)算出整個(gè)框架的初始剛度中心，以及橫向剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和質(zhì)心處的剛度。在框架質(zhì)心處，通常是上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心，施加單調(diào)遞增的水平力，并且，隨著框架非線性發(fā)展的程度不斷地調(diào)整橋墩的剛度和結(jié)構(gòu)剛度，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到最終極限狀態(tài)為止。
1.1.2 反應(yīng)譜法
反應(yīng)譜分析建立在強(qiáng)震觀測(cè)基礎(chǔ)上，由美國(guó)學(xué)者M(jìn)?A?Biot在20世紀(jì)40年代提出，到50年代初由Housner實(shí)現(xiàn)。將實(shí)測(cè)地震波代入單自由度動(dòng)力反應(yīng)方程，計(jì)算出各自最大彈性地震反應(yīng)，從而得出結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)與結(jié)構(gòu)自振周期的關(guān)系曲線。由反應(yīng)譜可計(jì)算最大地震作用，再按靜力法計(jì)算地震反應(yīng)。反應(yīng)譜分析雖然考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，但在分析中仍把地震慣性力看作靜力，因此只能稱為準(zhǔn)動(dòng)力分析。反應(yīng)譜分析法在地震作用計(jì)算方面取得了重大突破，因而在地震工程的發(fā)展中具有非常重要的貢獻(xiàn)，是目前各國(guó)抗震規(guī)范中給出的一種主要抗震分析方法?？傊?，反應(yīng)譜方法在大跨度橋梁的方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行粗略的評(píng)估還是可行的，但是對(duì)于重要結(jié)構(gòu)或大跨度橋梁的地震反應(yīng)分析則應(yīng)進(jìn)行專題研究。
1.1.3 時(shí)程分析法
時(shí)程分析法是將實(shí)際地震動(dòng)記錄或人工生成的地震波作用于結(jié)構(gòu)，直接對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值積分而求得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的時(shí)間歷程。只要正確選擇地震動(dòng)主要參數(shù)，且所選用的地震波基本符合這些主要參數(shù)，時(shí)程分析法就可以在一定程度上給出未來(lái)地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)。該法對(duì)于線性荷載，簡(jiǎn)諧荷載或用簡(jiǎn)單解析式表達(dá)的荷載激勵(lì)下線性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)能夠得到具有計(jì)算機(jī)精度的數(shù)值。由于地震加速度記錄中兩個(gè)離散時(shí)刻之間的加速度值一般假設(shè)為線性變化，因此采用精細(xì)程積分求解是非常有利的。此方法的主要優(yōu)點(diǎn)是既可以做線性分析，又可以做彈塑性動(dòng)態(tài)分析，概念明確。其主要缺點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果過(guò)渡依賴于所選取的加速度時(shí)程曲線，離散性很大。為得到較可靠的計(jì)算結(jié)果常要計(jì)算許多時(shí)程樣本，并加以統(tǒng)計(jì)評(píng)論，為此需要進(jìn)行大量的計(jì)算。實(shí)際上只對(duì)特別重要的大跨度結(jié)構(gòu)才使用該法。
1.2 概論性抗震分析方法
概論性抗震分析方法包括隨機(jī)振動(dòng)、虛擬激勵(lì)法系列。
隨機(jī)振動(dòng)法假定地震動(dòng)在時(shí)間和空間上都是隨機(jī)變化的，采用空間相關(guān)函數(shù)來(lái)描述各點(diǎn)地震動(dòng)的相關(guān)性。此方法是建立在各點(diǎn)地面運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上，在確定了地震動(dòng)的自功率譜和互功率譜后，計(jì)算出各反應(yīng)量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對(duì)于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行抗震分析時(shí)應(yīng)該考慮行波效應(yīng)、部分相干效應(yīng)和局部場(chǎng)地效應(yīng)，傳統(tǒng)的抗震方法在分析上遇到了困難，并且計(jì)算結(jié)果也和實(shí)際情況有較大差異。經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共同努力，隨機(jī)振動(dòng)理論取得了豐碩的成果，已成為近代應(yīng)用力學(xué)的一個(gè)重要分支。盡管作為其應(yīng)用核心的線性隨機(jī)振動(dòng)基本理論早已成熟，然而這些理論成果在工程領(lǐng)域卻遠(yuǎn)未得到充分應(yīng)用，其原因是計(jì)算的復(fù)雜性和效率低下。
2 結(jié)構(gòu)控制技術(shù)
結(jié)構(gòu)控制技術(shù)是工程抗震研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。該技術(shù)通過(guò)在工程結(jié)構(gòu)的特定部位裝設(shè)某種裝置（如耗能支承等）、或某種子結(jié)構(gòu)（如調(diào)頻質(zhì)量TMD等）、或施加外力（外部能量輸入），以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)特性，確保結(jié)構(gòu)及其附屬物的安全。作為目前應(yīng)用較廣泛的一種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，減隔震技術(shù)利用特制的減震及隔震裝置，大量消耗或阻止進(jìn)入結(jié)構(gòu)體系的能量，達(dá)到控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布與大小的目的。
減隔震技術(shù)主要利用了兩個(gè)基本規(guī)律：1地震動(dòng)的頻率成分很復(fù)雜，但地震能量一般集中在一個(gè)頻率范圍內(nèi)。2結(jié)構(gòu)的阻尼越大，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)越小。
目前常用的幾種減隔震裝置有分層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、滑動(dòng)摩擦型減隔震支座、高阻尼橡膠支座、鋼阻尼器和油阻尼器。一個(gè)完善的橋梁減隔震系統(tǒng)應(yīng)包含柔性支承、阻尼裝置和構(gòu)造措施三部分。常見的柔性支承裝置是橡膠支座，它能滿足橋梁在正常使用狀態(tài)下溫度等因素產(chǎn)生的位移要求。提供耗能的阻尼裝置主要有兩種：一種是利用材料塑性變形耗能的滯回阻尼；另一種是利用摩擦方式的摩擦耗能。減隔震裝置必須有足夠的柔性以延長(zhǎng)周期、減小地震反應(yīng)，但在運(yùn)營(yíng)荷載下，又要保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生大變形和有害振動(dòng)。通過(guò)選擇某種特性的彈性支承材料，可以達(dá)到上述目的。
