橋梁抗震設(shè)計
2015-05-25
我國是一個多地震國家，地震中，橋梁的破壞將導(dǎo)致交通中斷，這不但會影響人們的正常生活和經(jīng)濟運行，造成嚴重的經(jīng)濟損失，而且將嚴重影響震后救災(zāi)工作，使人員不能安全順利疏散，并阻礙向災(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)計中對橋梁抗震設(shè)計有充分的重視。
1 橋梁抗震分析方法
人類對地震的研究也不斷地獲得進步，特別是近半個多世紀以來，人們對地震的破壞機理已有了深入的認識，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)動力反應(yīng)的方法。概率性方法將地震作用視為隨機過程，以此隨機地震作用于結(jié)構(gòu)，求出結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)統(tǒng)計量。
1.1 確定性抗震分析方法
1.1.1 靜力分析法
靜力分析是國際上最早形成的抗震分析理論。20 世紀初，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，不考慮變形對結(jié)構(gòu)的影響，也不考慮地震作用隨時間的變化及其與結(jié)構(gòu)動力特性的關(guān)系，結(jié)構(gòu)各質(zhì)點的水平地震作用最大值為該質(zhì)點與地面運動加速度的乘積。
在20世紀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，Pushover法得到了較大的發(fā)展，并得到了廣泛的應(yīng)用，分析過程一般需要借助計算機程序完成。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，在整個地震反應(yīng)過程中保持不變。Pushover法是通過對結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增荷載來進行分析的一種非線性靜力分析方法，它研究結(jié)構(gòu)在地震激勵下進入塑性倒塌狀態(tài)時的非線性性能。該方法通常把相鄰伸縮縫之間的結(jié)構(gòu)當作是空間的獨立框架考慮，并且假定上部結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)是相對剛性的。分析的初始階段是對單獨的排架墩在所考慮的方向上（順橋向或橫橋向）進行獨立的倒塌分析和整個框架的分析，將橋墩剛度模擬為非線性彈簧，計算出整個框架的初始剛度中心，以及橫向剛度、轉(zhuǎn)動剛度和質(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)譜分析建立在強震觀測基礎(chǔ)上，由美國學(xué)者M?A?Biot在20世紀40年代提出，到50年代初由Housner實現(xiàn)。將實測地震波代入單自由度動力反應(yīng)方程，計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)譜可計算最大地震作用，再按靜力法計算地震反應(yīng)。反應(yīng)譜分析雖然考慮了結(jié)構(gòu)的動力特性，但在分析中仍把地震慣性力看作靜力，因此只能稱為準動力分析。反應(yīng)譜分析法在地震作用計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，是目前各國抗震規(guī)范中給出的一種主要抗震分析方法?？傊磻?yīng)譜方法在大跨度橋梁的方案設(shè)計階段，對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行粗略的評估還是可行的，但是對于重要結(jié)構(gòu)或大跨度橋梁的地震反應(yīng)分析則應(yīng)進行專題研究。
1.1.3 時程分析法
時程分析法是將實際地震動記錄或人工生成的地震波作用于結(jié)構(gòu)，直接對結(jié)構(gòu)運動方程進行數(shù)值積分而求得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的時間歷程。只要正確選擇地震動主要參數(shù)，且所選用的地震波基本符合這些主要參數(shù)，時程分析法就可以在一定程度上給出未來地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)。該法對于線性荷載，簡諧荷載或用簡單解析式表達的荷載激勵下線性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)能夠得到具有計算機精度的數(shù)值。由于地震加速度記錄中兩個離散時刻之間的加速度值一般假設(shè)為線性變化，因此采用精細程積分求解是非常有利的。此方法的主要優(yōu)點是既可以做線性分析，又可以做彈塑性動態(tài)分析，概念明確。其主要缺點是計算結(jié)果過渡依賴于所選取的加速度時程曲線，離散性很大。為得到較可靠的計算結(jié)果常要計算許多時程樣本，并加以統(tǒng)計評論，為此需要進行大量的計算。實際上只對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振動、虛擬激勵法系列。
隨機振動法假定地震動在時間和空間上都是隨機變化的，采用空間相關(guān)函數(shù)來描述各點地震動的相關(guān)性。此方法是建立在各點地面運動的統(tǒng)計特征基礎(chǔ)上，在確定了地震動的自功率譜和互功率譜后，計算出各反應(yīng)量的統(tǒng)計規(guī)律。對于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，在進行抗震分析時應(yīng)該考慮行波效應(yīng)、部分相干效應(yīng)和局部場地效應(yīng)，傳統(tǒng)的抗震方法在分析上遇到了困難，并且計算結(jié)果也和實際情況有較大差異。經(jīng)過幾十年來國內(nèi)外學(xué)者的共同努力，隨機振動理論取得了豐碩的成果，已成為近代應(yīng)用力學(xué)的一個重要分支。盡管作為其應(yīng)用核心的線性隨機振動基本理論早已成熟，然而這些理論成果在工程領(lǐng)域卻遠未得到充分應(yīng)用，其原因是計算的復(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問題。該技術(shù)通過在工程結(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，大量消耗或阻止進入結(jié)構(gòu)體系的能量，達到控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布與大小的目的。
減隔震技術(shù)主要利用了兩個基本規(guī)律：1地震動的頻率成分很復(fù)雜，但地震能量一般集中在一個頻率范圍內(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周期、減小地震反應(yīng)，但在運營荷載下，又要保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生大變形和有害振動。通過選擇某種特性的彈性支承材料，可以達到上述目的。
