試析橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與設(shè)防措施

/試析橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和設(shè)防措施試析橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和設(shè)防措施摘要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)也得到了快速的提高，但是其抗震設(shè)計(jì)和防范措施還存在著諸多不足之處，有待專業(yè)人士的探究和改進(jìn)，本文主要探討橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和防范措施，以供同行參考。關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)橋梁震害抗震設(shè)計(jì)設(shè)防措施中圖分類號(hào)：K928文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A前言當(dāng)前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路工程的規(guī)模在不斷地?cái)U(kuò)大，而橋梁是公路工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。而我國(guó)是一個(gè)地震災(zāi)難發(fā)生率較高的國(guó)家，地震對(duì)橋梁的破壞一方面同建立橋梁所處的地形、地質(zhì)有關(guān)，另一方面也和橋梁自身結(jié)構(gòu)類型相關(guān)。以下，本文就對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)方面，即橋梁震害綜述、我國(guó)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)解析，橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)留意的問題以及橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防措施進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，旨在為橋梁設(shè)計(jì)工作人員供應(yīng)參考。1、橋梁結(jié)構(gòu)抗震概述1.1橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造及類型橋梁結(jié)構(gòu)一般分為上部結(jié)構(gòu)（分為橋身、橋面和必要的連接結(jié)構(gòu)）和下部結(jié)構(gòu)（分為橋墩、橋臺(tái)、支座和基礎(chǔ)），支撐橋身的承重構(gòu)件是橋墩，主要承受豎向恒載，橋身是承受車輛行人荷載的主要構(gòu)件，活動(dòng)支座允許梁伸縮和轉(zhuǎn)動(dòng)變形，固定支座允許轉(zhuǎn)動(dòng)但不允許伸縮。橋梁結(jié)構(gòu)類型分為梁橋、拱式橋、懸索橋、斜拉橋、鋼構(gòu)橋。1.2橋梁結(jié)構(gòu)的震害及緣由分析橋梁結(jié)構(gòu)震害主要有兩種形式：一是場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)引起的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，二是場(chǎng)地相對(duì)位移產(chǎn)生的強(qiáng)制變形。第一種形式通過慣性力的形式把地震作用施加在橋梁結(jié)構(gòu)上，其次種形式是通過支點(diǎn)強(qiáng)制變形產(chǎn)生的超靜定內(nèi)力或過大的相對(duì)變形影響橋梁結(jié)構(gòu)的地震平安性。在地震的作用下橋梁會(huì)造到不同程度的破壞，如橋臺(tái)橋墩傾斜開裂、支座錨栓剪斷或拉長(zhǎng)甚至橋臺(tái)橋墩滑移、落梁倒塌。而地震中橋梁破壞有各種形式，以下為幾種具有代表性的破壞形式。正確相識(shí)橋梁結(jié)構(gòu)震害的產(chǎn)生緣由是做好橋梁抗震設(shè)計(jì)的基本前提，也是抗震設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的重要保障。就目前駕馭的國(guó)內(nèi)外的地震相關(guān)資料來看，公路橋梁的震害表現(xiàn)形式主要有以下幾種：首先，地震發(fā)生后對(duì)梁式橋梁會(huì)產(chǎn)生較大的位移，并在位移的過程中對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)造成危害。繼而形成因節(jié)點(diǎn)承載力和角度發(fā)生變更所導(dǎo)致的橋梁梁體的相互撞擊。于是，引起橋梁的整體形態(tài)發(fā)生突變，通常表現(xiàn)為橋梁的整體隆起。其次，在地震過程中，公路橋梁的地基四周的土質(zhì)發(fā)生液化，致使橋梁發(fā)生位移，于是橋梁結(jié)構(gòu)受到位移的影響引發(fā)落梁現(xiàn)象再次，在橋梁的設(shè)計(jì)和施工過程中，沒有充分的考慮支座的抗震功能，于是當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，橋梁支座因無法承受地震所導(dǎo)致的位移而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂開，從而影響了其他橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗震效果。其四，對(duì)于橋梁下半部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)的不足，而導(dǎo)致的字地震過程中出現(xiàn)的各種開裂、變形和失效現(xiàn)象,也會(huì)嚴(yán)峻的影響橋梁的整體抗震實(shí)力。最終，地基四周土質(zhì)過于松軟導(dǎo)致了地震發(fā)生后橋梁快速的發(fā)生滑移，從而導(dǎo)致了整體結(jié)構(gòu)遭到破壞。1.3橋墩彎曲破壞彎曲破壞的定義就是指結(jié)構(gòu)的彎曲承載力比結(jié)構(gòu)剪切承載力要低，結(jié)構(gòu)承載實(shí)力由抗彎性能起限制作用的破壞形式。因?yàn)檫@種破壞發(fā)生后橋墩的塑性變形吸取地震能量和剛度下降能夠減輕地震作用的強(qiáng)度，所以，這種破壞通?？梢员荛_橋梁在地震中發(fā)生倒塌破壞。1.4橋墩剪切破壞剪切破壞指的是結(jié)構(gòu)彎曲承載實(shí)力高于剪切承載實(shí)力，結(jié)構(gòu)的承載力完全由剪切強(qiáng)度限制的破壞形式。發(fā)生地震時(shí)，剪切破壞是導(dǎo)致橋梁遭受嚴(yán)峻破壞的主要形式，這種破壞比較常見。1.5支座破壞支座破壞是橋梁上部結(jié)構(gòu)遭受破壞的最常見的一種破壞形式，這種破壞形式也是引起落梁破壞的主要緣由，但是支座損傷可以避開上部結(jié)構(gòu)的地震影響傳到橋墩，使橋墩免遭破壞。1.6落梁破壞落梁破壞指的是無約束活動(dòng)節(jié)點(diǎn)處的位移過大使得橋跨在縱向的相對(duì)位移要比支座長(zhǎng)度長(zhǎng)，從而引起橋梁破壞。這種破壞在高墩柱的多跨連續(xù)梁中經(jīng)常發(fā)生，這是因?yàn)榱汉蜆蚨盏南鄬?duì)位移過大，支座丟失約束實(shí)力后就會(huì)引起破壞。2、橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的思想和原則2.1橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的思想抗震設(shè)防的目標(biāo)是“小震不壞,中震可修,大震不倒”,即按多遇地震、設(shè)計(jì)地震、罕遇地震對(duì)橋梁進(jìn)行多水準(zhǔn)設(shè)防。具體來講,就是在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi),當(dāng)發(fā)生多遇地震(小震)時(shí),結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段,應(yīng)保證不損壞或略微損壞,能夠保持其正常運(yùn)用;在發(fā)生設(shè)計(jì)地震(中震)時(shí),結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入非彈性工作階段,可能損壞,經(jīng)修補(bǔ),能盡早復(fù)原其正常運(yùn)用;在發(fā)生罕遇地震(大震)時(shí),結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性工作階段,可能產(chǎn)生較大破壞,但不出現(xiàn)整體倒塌,經(jīng)搶修后可限速通車。一般狀況下,抗震設(shè)計(jì)按“地振動(dòng)峰值加速度”和“地振動(dòng)反應(yīng)譜特征周期”進(jìn)行抗震驗(yàn)算,并按“抗震設(shè)防烈度”要求實(shí)行相應(yīng)的抗震措施。2.2橋梁抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)對(duì)于易發(fā)生地震災(zāi)難的地區(qū)的橋梁建設(shè)，或者是地震強(qiáng)度級(jí)別較高的地區(qū)的公路橋梁建設(shè)，工程人員要在細(xì)致分析橋梁結(jié)構(gòu)和自身抗震特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性的加強(qiáng)橋梁的抗震設(shè)計(jì)。一般來講，有如下基本設(shè)計(jì)原則：首先，要盡量將橋梁的整體重心下移，通過提高橋梁穩(wěn)定性的方式增加其抗震效果。其次，對(duì)于橋梁的高度要做好適當(dāng)?shù)南拗?，以免過高的橋梁結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生振動(dòng)，影響下部結(jié)構(gòu)的剛度。再次，應(yīng)當(dāng)做好地基的加固處理，避開地基在地震發(fā)生后的大幅度位移導(dǎo)致的橋梁整體抗震實(shí)力減弱。橋梁的對(duì)稱位置和結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有大致相同的剛度，因?yàn)閷?shí)踐證明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔和對(duì)稱的橋梁較不等跨橋梁的抗震效果更好。尤其是對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的橋梁，這種差距就更為明顯。所以，對(duì)于沒有特殊要求的橋梁，我們應(yīng)當(dāng)盡量實(shí)行對(duì)稱型的小跨徑的橋梁。2.3中日抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的比較分析2008年8月我國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布了公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則，但有一些規(guī)定的可操作性不是很強(qiáng)，同時(shí)頒布了《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，這是以行業(yè)舉薦性標(biāo)準(zhǔn)的形式發(fā)布，和通用設(shè)計(jì)規(guī)范等其他橋規(guī)的地位之間還有確定的不同。1996年日本對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范進(jìn)行了更新，對(duì)罕遇地震作用增加了內(nèi)陸直下型地震，地震最大強(qiáng)度達(dá)1.5g-2.0g,再次強(qiáng)化了彈塑性數(shù)值計(jì)算的地位。2002年日本對(duì)抗震設(shè)計(jì)的一些具體要求進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)化。3、橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算的地震力理論閱歷了三個(gè)階段：靜力法、反應(yīng)譜理論、動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法。地震力理論又叫做地震作用理論，它是探討地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。我國(guó)橋梁的抗震設(shè)計(jì)正在向著彈性設(shè)計(jì)、彈塑性設(shè)計(jì)并存的方向發(fā)展。以下為橋梁抗震設(shè)計(jì)的各種理論。3.1靜力法早在1899年，日本大房森吉就提出了靜力法的概念，這種方法假設(shè)結(jié)構(gòu)物的各個(gè)部分和地振動(dòng)具有相同的振動(dòng)，這時(shí)結(jié)構(gòu)物上只作用在地面上的運(yùn)動(dòng)加速度乘上結(jié)構(gòu)物質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力，這種慣性力視作靜力作用于結(jié)構(gòu)物作抗震計(jì)算。3.2反應(yīng)譜法反應(yīng)譜指的是在某一給定的地振動(dòng)作用下，單自由度體系反映的最大確定值和自振周期、阻尼比之間的關(guān)系。反應(yīng)譜法也有自身的缺陷：只適應(yīng)于彈性分析；只能得到最大反應(yīng)；多陣型反應(yīng)譜法存在振型組合的問題。3.3其他抗震設(shè)計(jì)法20世紀(jì)50年頭隨機(jī)振動(dòng)方法被人們廣泛認(rèn)為是一種較為先進(jìn)合理的方法，在此提出了虛擬激勵(lì)法，成為有效利用隨機(jī)振動(dòng)方法的實(shí)踐依據(jù)。1975年一種簡(jiǎn)潔好用又比較牢靠的抗震設(shè)計(jì)方法-靜力彈塑性分析方法（Pushover分析方法）被Freeman等提出，20世紀(jì)90年頭以后，這種分析方法引起了地震工程界的關(guān)注。4、橋梁抗震設(shè)防措施一個(gè)是概念設(shè)計(jì)、一個(gè)是構(gòu)造微小環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。須要留意的是,這兩個(gè)東西其實(shí)和具體的抗震計(jì)算關(guān)系不大,計(jì)算只是幫助手段,只是驗(yàn)證概念和微小環(huán)節(jié)的合理性。所以設(shè)計(jì)師須要的是對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)基本概念和原理的深刻理解。構(gòu)造微小環(huán)節(jié)措施則包括一些基本的抗震措施,比如支座的選擇、擋塊的設(shè)置等等,還包括構(gòu)件微小環(huán)節(jié)的構(gòu)造措施、比如墩的箍筋配置、節(jié)點(diǎn)配筋構(gòu)造。國(guó)內(nèi)外橋梁抗震探討人員始終都在探討橋梁的合理構(gòu)造措施,合理的構(gòu)造措施可以提高整體的延性及滯回耗能實(shí)力。抗震設(shè)計(jì)的理念應(yīng)當(dāng)貫穿在整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，從設(shè)計(jì)方案選擇上留意橋梁的抗震性能，通過反復(fù)的試驗(yàn)和推敲來確定橋梁設(shè)計(jì)的方案。好用的抗震方法，是通過增加橋梁結(jié)構(gòu)的柔性來延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，這樣，一來可以增加結(jié)構(gòu)的阻尼并減小地震載荷，二來可以減小地震所引起的橋梁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，實(shí)質(zhì)就是減小地震的危害。目前來說，比較有效和簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)的提高橋梁的抗震性能的方法是接受橋梁延性限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)度沒有明顯降低的狀況下的非彈性變形實(shí)力。橋梁的延性可以用構(gòu)件截面的曲率延性系數(shù)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)在便利檢修的位置。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)的周期，并同時(shí)耗散地震的能量。利用橋墩自身加強(qiáng)的延性，將地震力通過限度內(nèi)的塑性變形漸漸分散，是在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)的抗震方法之一。延性的抗震設(shè)計(jì)，須要依據(jù)彈性反應(yīng)來計(jì)算塑性變形的程度，然后依據(jù)抗震等級(jí)進(jìn)行修正，盡可能提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震載荷。在橋梁的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，綜合影響系數(shù)是用來反映塑性變形程度，所以依據(jù)綜合系數(shù)可以確定橋梁的抗震實(shí)力。美國(guó)caltrans規(guī)范早在20世紀(jì)70年頭就引入了關(guān)于橋梁抗震要考慮延性設(shè)計(jì)的影響,其目的是通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)細(xì)部的規(guī)定將強(qiáng)震下的非彈性變形限制于橋柱和墻式墩的塑性區(qū)域。依據(jù)每座橋梁的延性的不同，ATC-32建議將橋梁結(jié)構(gòu)分為四種類型，即充分延性結(jié)構(gòu)、有限延性結(jié)構(gòu)、彈性結(jié)構(gòu)、有愛惜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。結(jié)束語(yǔ)地震的發(fā)生危害巨大且難以預(yù)料,我們要把握工程質(zhì)量,增加建筑物抗震性能,提高防震防災(zāi)的意識(shí),把工夫做在平常,防患于未然,切不行抱有僥幸心理,只有這樣才能在遇到突發(fā)地震時(shí)削減人員傷亡,降低經(jīng)濟(jì)社會(huì)損失。參考文獻(xiàn)：[1]雷建勝.淺談橋梁的抗震設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑技術(shù),2008(S1):145-146.[2]楊會(huì)兵.結(jié)構(gòu)抗震在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(11):308-309.[3]譚文.淺談橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)留意的幾個(gè)問題[J].山西建筑,