橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

1、橋梁抗震結(jié)課論文橋梁抗震設(shè)計(jì)方法摘要： 本文主要介紹橋梁抗震設(shè)計(jì)的主要方法及它們的優(yōu)缺點(diǎn)及其比較。關(guān)鍵詞：橋梁抗震 延性法 反應(yīng)譜法 減隔震 我國(guó)是世界上多地震的國(guó)家之一, 地震常常給社會(huì)造成巨大損失。近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了各種形式的橋梁(如大跨度、超大跨度斜拉橋、懸索橋、拱橋及各種復(fù)雜的城市立交工程)。橋梁抗震設(shè)計(jì)中也涌現(xiàn)了眾多問題。橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的發(fā)展過(guò)程可以大致分為:靜力法、反應(yīng)譜法、動(dòng)力時(shí)程分析法。目前橋梁設(shè)計(jì)工作者的一個(gè)重要工作內(nèi)容就是采取正確的抗震計(jì)算方法以及有效的構(gòu)造措施。反應(yīng)譜法在橋梁抗震設(shè)計(jì)中是有一定應(yīng)用價(jià)值的, 雖然目前大多數(shù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)程都指出對(duì)大跨

2、度橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法, 但是有必要研究反應(yīng)譜法的優(yōu)點(diǎn)及不足, 以確保橋梁工程在地震過(guò)程中有足夠的抗震能力和合理的結(jié)構(gòu)安全度。1、橋梁抗震設(shè)計(jì)的基本思路當(dāng)前主要地震國(guó)家橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基本思路和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是: 設(shè)計(jì)地震作用基本上分為功能和安全設(shè)計(jì)兩個(gè)等級(jí)。雖然各規(guī)范使用的名詞不同, 但其思路是基本一致的。比較起來(lái)我國(guó)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范仍在使用烈度概念, 關(guān)于抗震設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想方面比較籠統(tǒng)。主要抗震設(shè)計(jì)方法有反應(yīng)譜法、延性法、減隔震技術(shù)等。2、反應(yīng)譜法基本概念人類在與地震的斗爭(zhēng)中發(fā)展了各種抗震分析方法,分為確定性方法和概率性方法兩大類。靜力法、反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法均屬于確定性方

3、法, 隨機(jī)振動(dòng)、虛擬激勵(lì)法屬于概率性方法。通常所說(shuō)的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析,就是建立結(jié)構(gòu)地震振動(dòng)方程, 然后通過(guò)求解振動(dòng)方程得到結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)(位移、內(nèi)力等) 的過(guò)程。2.1 反應(yīng)譜的定義在結(jié)構(gòu)抗震理論發(fā)展中, 靜力法、反應(yīng)譜法和動(dòng)力時(shí)程分析法三個(gè)階段的形成和發(fā)展是人類對(duì)自然規(guī)律認(rèn)識(shí)的不斷深入與完善的過(guò)程。反應(yīng)譜理論考慮了結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力特性, 而且簡(jiǎn)單正確地反映了地震動(dòng)的特性, 因此得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。廣義線性單自由度體系一個(gè)場(chǎng)地記錄到的地震動(dòng)與多種因素有關(guān), 比如場(chǎng)地條件、震中距和震源深度、震級(jí)、震源機(jī)制和傳播路徑等等。由于諸多隨機(jī)因素的影響使得由不同記錄得到的加速度反應(yīng)譜具有很大的隨機(jī)性。各規(guī)范反

4、應(yīng)譜之間存在一些差別, 工程抗震設(shè)計(jì)中采用動(dòng)力放大系數(shù)作為地震荷載的描述, 其根據(jù)規(guī)定的反應(yīng)譜曲線及體系的自振周期確定。在橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中還引入了綜合影響系數(shù)以考慮結(jié)構(gòu)的延性耗能作用。對(duì)于多質(zhì)點(diǎn)體系可利用振型分解成一系列相互獨(dú)立的振動(dòng)從而可以利用單質(zhì)點(diǎn)體系的反應(yīng)譜理論來(lái)計(jì)算, 最后將各個(gè)振型的最大反應(yīng)按適當(dāng)?shù)姆椒ㄏ嘟M合( 如srss、cqc、igqc 等) 即得到多質(zhì)點(diǎn)體系的各項(xiàng)反應(yīng)值12。2.2 反應(yīng)譜方法的優(yōu)缺點(diǎn)反應(yīng)譜方法的優(yōu)點(diǎn)是概念簡(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。反應(yīng)譜方法的缺點(diǎn)是: ( 1) 地震響應(yīng)分析時(shí)必須重視振型數(shù)的取值。由于大跨度橋梁的自振頻率在一個(gè)

5、相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)密布, 而地震波一般都是寬帶激勵(lì), 因此在用反應(yīng)譜方法做大跨度橋梁的分析時(shí), 必須選取足夠數(shù)量的振型。 ( 2) 原則上只適用于線性結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震中一般都要進(jìn)入非線性狀態(tài), 彈性反應(yīng)譜法不能直接使用。( 3) 地震反應(yīng)譜失掉相位信息。經(jīng)疊加得到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)最大值是一個(gè)近似值。3延性抗震設(shè)計(jì)的基本概念3.1 延性的定義和指標(biāo)延性抗震設(shè)計(jì)主要是利用結(jié)構(gòu)、構(gòu)件自身的延性耗能能力來(lái)抵抗地震作用，設(shè)計(jì)時(shí)是通過(guò)增加結(jié)構(gòu)、構(gòu)件延性來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)塑性鉸的部分進(jìn)行專門的延性設(shè)計(jì)。延性抗震設(shè)計(jì)的基本思想：結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以發(fā)生塑性變形，可以發(fā)生一定的損壞，但結(jié)構(gòu)不倒塌是必須能得到保證的，結(jié)

6、構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，使結(jié)構(gòu)具有一定的滯回特性，這種特性足以抵抗大地震產(chǎn)生的彈塑性變形，設(shè)計(jì)預(yù)期的大地震發(fā)生時(shí)，滯回延性要低于地震激起的反復(fù)彈塑性變形循環(huán)，免于倒塌破壞的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的最低目標(biāo)必須始終得到保證。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，使結(jié)構(gòu)具有延性特征，首先要確定度量延性量化的設(shè)計(jì)指標(biāo)。通常用位移延性系數(shù)和曲率延性系數(shù)作為延性量化設(shè)計(jì)的指標(biāo)。位移延性系數(shù)定義為構(gòu)件屈服后的位移與屈服位移之比。曲率延性系數(shù)定義為截面屈服后的曲率與屈服曲率之比。3.2 靜力延性指標(biāo)與動(dòng)力延性指標(biāo)地震動(dòng)的隨機(jī)性使鋼筋混凝土的動(dòng)力延性指標(biāo)，在實(shí)際中無(wú)法準(zhǔn)確表示，結(jié)構(gòu)在遭遇設(shè)計(jì)預(yù)期的大地震時(shí)，地震動(dòng)作用使結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的反復(fù)變形循環(huán)情況無(wú)法事先預(yù)知

7、，所以，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動(dòng)力延性指標(biāo)在地震動(dòng)作用下也就無(wú)法確定。由于無(wú)法準(zhǔn)確確定大地震時(shí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力延性指標(biāo)，在設(shè)計(jì)時(shí)通常采用靜力延性指標(biāo)來(lái)代替，也可以采用周期反復(fù)荷載試驗(yàn)驗(yàn)證靜力延性指標(biāo)。當(dāng)用靜力延性指標(biāo)代替動(dòng)力延性指標(biāo)時(shí)，在周期反復(fù)荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在低周疲勞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性在地震動(dòng)作用下往往會(huì)過(guò)高地估計(jì)。4、橋梁減隔震技術(shù)4. 1 減隔震技術(shù)的概念和發(fā)展減震是人為在結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)置阻尼器或耗能構(gòu)件,改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能,耗散結(jié)構(gòu)吸收的地震能量,從而降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。隔震則是指通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期避開地震卓越周期或減小地震能量輸入,以此降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)的

8、思想產(chǎn)生由來(lái)已久,減隔震技術(shù)自誕生以來(lái),受到了廣泛的重視。第一座采用減隔震技術(shù)的橋梁是新西蘭的motu橋,建于1973 年,上部結(jié)構(gòu)采用滑動(dòng)支承隔震,阻尼由u 形鋼彎曲梁提供。該橋建成后,減隔震技術(shù)在橋梁抗震中得到了迅速推廣。美國(guó)第一次將減隔震技術(shù)用于橋梁是在1984 年,用于對(duì)sierra point bridge 進(jìn)行抗震加固。1990 年,美國(guó)新建了第一座采用減隔震技術(shù)的橋梁sexton 橋。在日本,第一座建成的減隔震橋梁是靜崗縣橫跨keta 河的宮川大橋,完成于1990 年,是一座3 跨連續(xù)鋼桁架梁橋,采用鉛芯橡膠支座作為減震構(gòu)件。4. 2 常用減隔震裝置1) 分層橡膠支座。分層橡膠支

9、座,國(guó)內(nèi)常稱為板式橡膠支座。其基本構(gòu)造由薄橡膠片與薄鋼板相互交替結(jié)合而成,支座平面形狀多采用圓形或矩形。在抗震設(shè)計(jì)中主要考慮分層橡膠支座的水平剛度和阻尼作用等因素。橡膠支座的水平剪切剛度,指上、下板面產(chǎn)生單位位移時(shí)所需施加的水平剪力。橡膠支座通過(guò)在變形過(guò)程中消耗能量提供阻尼,這種阻尼主要取決于橡膠層變形的速度。以天然橡膠為主要材料制作的支座,典型的阻尼比為5 %10 %。分層橡膠支座的力位移滯回曲線呈狹長(zhǎng)形,所提供的阻尼較小,因而在減隔震橋梁設(shè)計(jì)中,常與阻尼器一起使用。2) 鉛芯橡膠支座。鉛芯橡膠支座是在板式橡膠支座的基礎(chǔ)上,在支座的中部或中心周圍部位豎直地壓入高純度鉛芯以改善支座阻尼性能的一

10、種減震支座。鉛芯具有良好的力學(xué)特性,具有較低的屈服剪力(約10 mpa) ,具有足夠高的初始剪切剛度(約130 mpa) ,具有理想彈塑性性能且對(duì)于塑性循環(huán)具有很好的耐疲勞性能,能夠提供地震下的耗能能力和靜力荷載下所必需的剛度。因此,由鉛芯和分層橡膠支座結(jié)合的鉛芯橡膠支座能夠滿足一個(gè)良好減隔震裝置所應(yīng)具備的要求:在較低水平力作用下,具有較高的初始剛度,變形很小;在地震作用下,鉛芯屈服,剛度降低,延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)周期,并消耗地震能量。3) 滑動(dòng)摩擦型減隔震支座?；瑒?dòng)摩擦型支座利用不銹鋼與聚四氟乙烯材料之間相當(dāng)?shù)偷幕瑒?dòng)摩擦系數(shù)制成。也稱為聚四氟乙烯滑板支座。這種支座具有摩擦系數(shù)小,水平伸縮位移大的優(yōu)點(diǎn),

11、作為橋梁活動(dòng)支座十分適宜。在地震作用下,滑動(dòng)摩擦型支座允許上部結(jié)構(gòu)在摩擦面上發(fā)生滑動(dòng),從而將上部結(jié)構(gòu)能夠傳遞到下部結(jié)構(gòu)的最大地震力限制為支座的最大摩擦,同時(shí)通過(guò)摩擦消耗大量的地震能量。這類支座的缺點(diǎn)是沒有自復(fù)位能力,用作隔震支座時(shí),支座響應(yīng)的可預(yù)測(cè)性和可靠性都不盡如人意,所以常與阻尼器和橡膠支座等其他裝置一起使用4) 鋼阻尼器。鋼阻尼器利用鋼材的塑性變形來(lái)耗能。典型的鋼阻尼器:a. 有橫向加載臂的均勻彎矩彎曲梁阻尼器,加載臂有一傾斜角度;b. 錐形懸臂彎曲梁阻尼器;c. 有橫向加載臂的扭梁阻尼器。鋼阻尼器的優(yōu)點(diǎn)是制造不需要特殊設(shè)備,費(fèi)用比較合適,堅(jiān)實(shí)耐用,又具有較大的耗能能力。試驗(yàn)研究表明,大

12、多數(shù)鋼阻尼器的滯回曲線可用雙線性來(lái)近似模擬。不同類型鋼阻尼器的選擇取決于阻尼器放置的位置、可利用的空間、連接的結(jié)構(gòu)以及力和位移的大小。鋼阻尼器通常和橡膠隔震支座一起使用,如聚四氟乙烯滑板支座與懸臂鋼阻尼器就是一種合理組合。4. 3 減隔震裝置的選擇橋梁的減隔震系統(tǒng)應(yīng)滿足如下三個(gè)基本功能:1) 具備一定的柔度,用來(lái)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期,降低地震力;2) 通過(guò)阻尼、耗能裝置等對(duì)地震力進(jìn)行耗散,并將支承面處的相對(duì)變形控制在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi);3) 具備一定的剛度和屈服力,在正常使用荷載下結(jié)構(gòu)不發(fā)生屈服和有害振動(dòng)。進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)將重點(diǎn)放在提高耗能能力和分散地震力上,不可過(guò)分追求加長(zhǎng)周期。而且應(yīng)選用作用機(jī)構(gòu)

13、簡(jiǎn)單的減隔震裝置,并在其力學(xué)性能明確的范圍內(nèi)使用。另外,減隔震裝置不僅要能減震耗能,還應(yīng)滿足正常運(yùn)營(yíng)荷載的承載要求,因此選擇減隔震裝置時(shí),還應(yīng)注意以下一些要求:1) 在不同水準(zhǔn)地震作用下,減隔震支座都應(yīng)保持良好的豎向荷載支承能力;2) 減隔震裝置應(yīng)具有較高的初始水平剛度,使得橋梁在風(fēng)荷載、制動(dòng)力等作用下不發(fā)生過(guò)大的變形和有害的振動(dòng);3) 當(dāng)溫度、徐變等引起上部結(jié)構(gòu)緩慢的伸縮變形時(shí),減隔震支座產(chǎn)生的抗力應(yīng)比較低; 4) 減隔震裝置應(yīng)具有較好的自復(fù)位能力,使震后橋梁上部結(jié)構(gòu)能夠基本恢復(fù)到原來(lái)位置。5、反應(yīng)譜法、延性法、減隔震技術(shù)的比較反應(yīng)譜法使用與中小橋，反應(yīng)譜理論建立在以下基本假定的基礎(chǔ)上:1)

14、結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)是線彈性的,可以采用疊加原理進(jìn)行振型組合;2)結(jié)構(gòu)物所有支承處的地震動(dòng)完全相同;3) 結(jié)構(gòu)物最不利地震反應(yīng)為其最大地震反應(yīng);4)地震動(dòng)的過(guò)程是平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。反應(yīng)譜法是利用結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度來(lái)抵抗變形，而延性抗震是在結(jié)構(gòu)上設(shè)置可有較大變形的結(jié)構(gòu)，讓其變形來(lái)吸收地震能量。減隔震則是主動(dòng)的去減弱、化解地震作用力。6、結(jié)語(yǔ)本文結(jié)合上課筆記及參閱有關(guān)資料，對(duì)橋梁抗震的簡(jiǎn)單總結(jié)。旨在對(duì)橋梁抗震有一個(gè)相對(duì)系統(tǒng)的了解，為以后進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：1韓亞男 劉威（河北工業(yè)大學(xué)）橋梁抗震分析方法j.科技風(fēng), 2011（1）.2 范立礎(chǔ).橋梁抗震m.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,19973 陳虎.橋梁抗震概念設(shè)計(jì)j.國(guó)外建材科技,2004(2).4 劉建新,胡兆同,李子青.橋梁結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法研究j.中國(guó)公路學(xué)報(bào).2