大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

本文對(duì)大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，希望同行批評(píng)指正。 

關(guān)鍵詞：大跨徑橋梁；結(jié)構(gòu)抗震；地震響應(yīng) 

　　前言：大跨度橋梁不僅在我國(guó)也是全世界交通運(yùn)輸中的關(guān)鍵工程，起著交通樞紐的作用。因其投資大，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著非常重大的影響。因此，進(jìn)行正確有效的抗震設(shè)計(jì)，確保其抗展安全性具有更加重要的意義。現(xiàn)行的公路或者鐵路的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)大跨度斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)并無詳細(xì)說明，需要做專項(xiàng)的抗震設(shè)計(jì)研究。從目前的結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)的發(fā)展來看，結(jié)構(gòu)的減隔震設(shè)計(jì)將是今后工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的一部分，也將是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要組成部分。 

　　1、橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析方法 

　　現(xiàn)行橋梁的抗震分析方法主要為確定性分析方法，它是以確定性的荷載作用在結(jié)構(gòu)上，包括靜力法、地震反應(yīng)譜分析方法和時(shí)程分析方法，是目前應(yīng)用廣泛的地震分析方法。 

　　1.1反應(yīng)譜法 

　　此法考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，用靜力的方法去解決動(dòng)力問題。動(dòng)力反應(yīng)譜法還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)譜方法概念簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，可以用較少的計(jì)算量獲得結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)值。由于反應(yīng)譜適用于彈性范圍內(nèi)，因而當(dāng)結(jié)構(gòu)在一定強(qiáng)度的地震是，進(jìn)入塑性工作階段就不能運(yùn)用，因此，它不能考慮結(jié)構(gòu)的非線性。另一方面，地震作用是一個(gè)時(shí)間過程，但反應(yīng)譜方法只能得到最大反應(yīng)，不能反映結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)過程中的經(jīng)歷。 

　　1.2動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法 

　　此法是在地震時(shí)建立結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程式，求解每一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。目前，大多數(shù)國(guó)家除對(duì)常用的中小跨度橋梁仍采用反應(yīng)譜方法計(jì)算外，對(duì)重要、復(fù)雜、大跨的橋梁抗震分析均采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法。動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法首先地震動(dòng)輸入，再采用有限元?jiǎng)恿�建立方程，然后采用逐步積分法求解，計(jì)算地震過程中每一瞬時(shí)結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度響應(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)件逐步開裂、損壞直至倒塌的全過程。動(dòng)態(tài)時(shí)程分析方法使得橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)從以往的強(qiáng)度單一保證轉(zhuǎn)入結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度和延性的雙重保證；同時(shí)使得橋梁設(shè)計(jì)師對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的地震力破壞機(jī)理更加明了，進(jìn)而釆取有效的措施提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。 

　　2、在地震中橋梁較易產(chǎn)生破壞的位置及其原因 

　　一般情況下，橋梁是當(dāng)?shù)亟煌ǖ难屎恚�一旦在地震中發(fā)生嚴(yán)重破壞，將嚴(yán)重地影響到震后救援工作的展開，如果延誤救援時(shí)機(jī)，造成次生災(zāi)害加重，這會(huì)對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大損失。從造成橋梁的破壞原因來看，由于地震造成的橋梁破壞數(shù)量要遠(yuǎn)多于撞擊、風(fēng)振等原因引起的破壞。地震對(duì)橋梁造成的破壞揭示了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工等方面的缺陷，從最近幾次國(guó)內(nèi)外大地震造成的橋梁破壞情況來看，引起橋梁破壞的主要原因主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：（1）地震強(qiáng)度超出了設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；（2）地震造成橋梁地基失效；（3）橋梁設(shè)計(jì)、施工缺陷；（4）由于對(duì)地震工程學(xué)的認(rèn)識(shí)不足，設(shè)計(jì)的橋梁本身抗震能力不足。 

　　2.1上部結(jié)構(gòu)的震害 

　　橋梁的上部結(jié)構(gòu)在地震中出現(xiàn)損壞是比較常見的損壞主要有三種類型：分別是碰撞損壞、 

　　移位損壞和自身損壞。由于上部結(jié)構(gòu)承受自身重力荷載和使用荷載，設(shè)計(jì)時(shí)按照彈性設(shè)計(jì)，在抗震設(shè)計(jì)中通常也設(shè)計(jì)為較強(qiáng)的環(huán)節(jié)。因此地震中上部結(jié)構(gòu)基本上可以保持彈性。上部結(jié)構(gòu)由于自身強(qiáng)度不足引起的破壞僅僅是局部的。就一般而言，上部結(jié)構(gòu)的損傷引起橋梁倒塌的可能性不大。與主梁破壞相比之下，上部結(jié)構(gòu)中支座破壞卻是較為常見。上部結(jié)構(gòu)的地震慣性力主要是通過支座傳遞到下部結(jié)構(gòu)上，當(dāng)支座傳遞的荷載超過支座的設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)就有可能產(chǎn)生支座破壞，即地震過程中，橋梁支座將承受很大的剪力和變形，當(dāng)剪力超錨栓的強(qiáng)度后，描栓破壞，或者支座變位超過活動(dòng)支座的允許值，使得橋梁傾斜或者支座錯(cuò)位。支座一旦發(fā)生破壞，梁體無約束活動(dòng)節(jié)點(diǎn)處的位移極有可能超出支座長(zhǎng)度范圍，發(fā)生落梁破壞或者由于支座失效后，主梁橫向震動(dòng)時(shí)，抗震擋塊設(shè)置不甚合理沒能夠有效的防止落梁發(fā)生。 

　　2.2地基土產(chǎn)生地震液化造成的震害 

　　地基是橋梁的主要支撐部分一旦破壞失去他的支持作用就可能會(huì)造成上部結(jié)構(gòu)落梁這種情況的出現(xiàn)，而且由于地基土質(zhì)軟弱在地震時(shí)地基不可避免的會(huì)被破壞。這樣地基就會(huì)失效地基上面的結(jié)構(gòu)物會(huì)發(fā)生整體的傾斜或者整體的下沉因而產(chǎn)生嚴(yán)重的變形這樣的變形，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)來說是致命的會(huì)直接導(dǎo)致橋梁整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化引發(fā)嚴(yán)重的震害。 

　　2.3下部結(jié)構(gòu)的震害 

　　與上部結(jié)構(gòu)震害相比，橋梁墩柱的破壞是橋梁震害的主要形式。橋破壞的主要現(xiàn)象有橋柱的倒塌、斷裂和傾斜；對(duì)于鋼筋混凝土橋場(chǎng)，其破壞現(xiàn)象還包括了橋墩開裂、保護(hù)層剝落和縱向鋼筋的屈服。但是，對(duì)于鋼筋混凝土橋壞而言，通常還發(fā)生以下幾種具有代表性的破壞： 

　　（1）對(duì)于上世紀(jì)七十年代以前設(shè)計(jì)的橋場(chǎng)，由于延性考慮的不夠，地震中一旦超過屈服，強(qiáng)度會(huì)急劇下降而使橋壤破壞，這種破壞稱為彎曲破壞；另外不當(dāng)?shù)闹鹘钋袛辔恢靡矔?huì)造成橋柱的彎曲破壞。 

　�。�2）一般認(rèn)為，沿著斜裂縫方向的骨料咬合、橫向鋼筋和軸力共同提供了鋼筋混凝土橋柱的抗剪強(qiáng)度。但是，當(dāng)前在鋼筋混凝土橋墩中的橫向鋼筋配置較少，連接性能也較差，因此橋柱的抗剪能力有限，對(duì)于較為短、粗的橋柱而言將更為不利。 

　　由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式與結(jié)構(gòu)的變形能力相關(guān)，如果延性較差的結(jié)構(gòu)在地震中因失去承載能力發(fā)生倒塌性破壞，那對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性而言也是災(zāi)難性的。因此在此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量的避免難以修復(fù)的脆性破壞，如彎剪破壞、剪切破壞等在地震中都是不希望出現(xiàn)的。 

　　對(duì)于跨河橋梁而言，橋臺(tái)一般建于坡岸上，在強(qiáng)震作用下，如果邊坡或者地基中含有的軟弱液化層，邊坡發(fā)生滑坡，帶動(dòng)橋墩和橋臺(tái)也發(fā)生滑移，引起橋臺(tái)滑移、傾斜，橋臺(tái)的翼墻破壞填土下沉。一般情況下，橋臺(tái)是三面臨空的，而且臺(tái)背側(cè)的土體本身在強(qiáng)震過程中將會(huì)發(fā)生液化、震陷等破壞，因此橋臺(tái)是整個(gè)橋梁抵抗地震作用的薄弱部分 

　　3、提高結(jié)構(gòu)抗震性能的建議 

　　采用橋梁延性控制方法。橋梁的延性是實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的一個(gè)重要手段，橋梁的延性反映了橋梁結(jié)構(gòu)或材料在強(qiáng)度沒有明顯降低的情況下，出現(xiàn)的非彈性變形能力橋梁的延性可以用構(gòu)件截面的曲率延性系來表示，當(dāng)允許出現(xiàn)塑性鉸時(shí)各國(guó)規(guī)范都要求塑性鉸要設(shè)計(jì)在方便檢修的位置。 

　　橋墩的延性是抗震設(shè)計(jì)中可以加以利用的特點(diǎn)，由于橋墩自身所具備的延性將這一性質(zhì)加強(qiáng)在強(qiáng)震時(shí)，這些部位所形成的穩(wěn)定延性塑性鉸可以產(chǎn)生彈塑性變形這樣變形將延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期并同時(shí)耗散地震的能量。 

　　結(jié)語 

　　伴隨大跨度橋梁應(yīng)用的增加，又因其受地震響應(yīng)比較復(fù)雜，影響因素繁多等諸多因素，所以造成對(duì)大跨度橋梁進(jìn)行相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)、分析與評(píng)估比較困難。隨著抗震理論的不斷發(fā)展更新，我國(guó)大跨度橋梁的抗震研究雖然已經(jīng)取得不小的成就。但由于大度橋梁空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和方法的局限性，所以對(duì)大跨度橋梁的抗震分析仍需要進(jìn)一步的提高。橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)將引起高度重視 并在實(shí)踐中進(jìn)行廣泛的推廣應(yīng)用。 

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