淺議橋梁抗震設計
2015-04-10
隨著我國交通業(yè)的發(fā)展，橋梁工程的重要性日益突出,加之近年來地震災害經常發(fā)生，給國家和人民帶來了極大的經濟損失，因此對橋梁的抗震能力也提出了很大的要求?？拐鸶拍钤O計是指根據地震災害和工程經驗等獲得的基本設計原則和設計思想，正確地解決結構總體方案、材料使用和細部構造，以達到合理抗震設計的目的。合理的抗震設計，要求設計出來的結構在強度、剛度和延性等指標上有最佳的組合，使結構能夠經濟地實現抗震設防的目標。
一、橋梁結構地震破壞的主要形式
（1）彎曲破壞。結構在水平地震荷載作用下由于過大的變形導致混凝土保護層脫落、鋼筋壓屈和內部混凝土壓碎、崩裂，結構失去承載能力。
（2） 剪切破壞。在水平地震作用下，當結構受到的剪切力超過截而剪切強度時發(fā)生剪切破壞。
（3） 落梁破壞。當梁體的水平位移超過梁端支撐長度時發(fā)生落梁破壞。落梁破壞是由于梁與橋墩的相對位移過大，支座喪失約束能力后引起的一種破壞形式。發(fā)生在橋墩之間地震相對位移過大、梁的支撐長度不夠、支座破壞、梁間地震碰撞等情況。
（4）支座損傷。上部結構的地震慣性力通過支座傳到下部結構，當傳遞荷載超過支座設計強度時支座發(fā)生損傷、破壞。支座損傷也是引起落梁破壞的主要原因。對于下部結構而言，支座損傷可以避免上部結構的地震荷載傳到橋墩，避免橋梁發(fā)生破壞。
二、橋梁抗震設計原則
合理的抗震設計，要求設計出來的結構在強度、剛度和延性等指標上有最佳的組合，使結構能夠經濟的實現抗震設防的目標。以下為抗震設計應盡可能遵循的一些基本原則：
（1）場地選擇原則：避免地震時可能發(fā)生地基失效的松軟場地，選擇堅硬場地。
?。?）能力設計原則：能力設計思想強調強度安全度差異，即在不同構件和不同破壞模式之間確立不同的強度安全度。
?。?）提高結構和構件的強度和延性。橋梁結構的地震破壞源于地震動引起的結構振動，因此抗震設計要力圖使從地基傳入結構的振動能量為最小，并使結構具有適當的強度、剛度和延性，以防止不能容忍的破壞。
?。?）體系的整體性和規(guī)則性。橋梁的整體性要好，上部結構應盡可能是連續(xù)的。較好的整體性可防止結構構件及非結構構件在地震時被震散掉落，同時它也是結構發(fā)揮空間作用的基本條件。
?。?）多道抗震防線。應盡量使橋梁成為具有多道抵抗地震側向力的體系，則在強地震動過程中，一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結構，避免倒塌。因此，超靜定結構優(yōu)于同種類型的靜定結構。
三、抗震設計
?。?）抗震概念設計
對結構抗震設計來說“, 概念設計”比“計算設計”更為重要。正是由于地震發(fā)生的不確定性和復雜性, 再加上結構計算模型的假定與實際情況的差異,使“計算設計”很難控制結構的抗震性能,因而不能完全依賴計算。結構抗震性能的決定因素是良好的“概念設計”。因
此,在橋梁的方案設計階段,不能僅僅根據功能要求和靜力分析就決定方案的取舍,還應考慮橋梁的抗震性能,盡可能選擇良好的抗震結構體系。在抗震概念設計時,為了保證橋梁結構的經濟性和抗震安全性,要特別重視上、下部結構連接部位的設計,橋墩形式的選取,過渡孔處連接部位的設計以及塑性鉸預期部位的選擇。通常允許橋梁結構在強震下進入塑性工作狀態(tài), 在預期的部位形成塑性鉸以耗散能量,但不允許出現脆性破壞,如剪切破壞。為了保證所選擇的結構體系在橋址處的場地條件下確實是良好的抗震體系, 必須進行簡單的分析 ,然后結合結構設計分析結構的抗震薄弱部位, 并進一步分析是否能通過配筋或構造設計保證這些部位的抗震安全性。最后,根據分析結果綜合評判結構體系抗震性能的優(yōu)劣,決定是否要修改設計方案。
?。?） 橋梁延性抗震設計 目前延性抗震驗算所采用的破壞準則主要有：強度破壞準則、變形破壞準則、能量破壞準則、基于低周疲勞特征的破壞準則以及用最大變形和滯回耗能來表達的雙重指標破壞準則等。Housner在對懸臂式單質點系統(tǒng)的非線性地震反應進行分析后，將其破壞機理總結為：在形成完全的塑性反應之前，出現某種程度的塑性應變，由此而消耗的能量自然的構成結構等效粘滯阻尼的一部分；當完全進入塑性變形后，產生塑性漂移，并在單方向發(fā)展直到倒塌發(fā)生。他認為塑性反應階段，保證結構不破壞的條件是讓其保有足夠的耗能能力。
?。?）橋梁減、隔震設計
減、隔震技術是簡便、經濟、先進的工程抗震手段。減、隔震裝置是通過增大結構主要振型的周期使其落在地震能量較少的范圍內或增大結構的能量耗散能力來達到減小結構地震反應的目的。在進行抗震設計時,要根據結構特點和場地地震波的頻率特性,通過選用合適的減隔震裝置、相應參數以及設置方案,合理分配結構的受力和變形。一方面,應將重點放在提高吸收能量能力從而增大阻尼和分散地震力上,不可過分追求加長周期。另一方面,應選用作用機構簡單的減、隔震體系,并在其力學性能明確的范圍內使用。減、隔震設計的效果,需要進行非線性地震反應分析來驗證。
?。?） 多階段設計方法 隨著對地震產生機理、地震動特性以及地震作用下各類結構動力特性、破壞機理、構件能力研究認識的加深以及對結構在不同發(fā)生概率地震作用下預期性能目標的不同，促使結構設計在設計原則、設防水準等各個方面進行不斷改進。由原來的單一設防水準一階段設計逐漸改進為雙水準或三水準兩階段設計、三階段設計，以及多水準設防、多性能目標準則的基于結構性能的設計等。
四、抗震加固技術
在加固技術實施之前，應先對抗震能力進行評估。主要是先決定墩柱的破壞形式及墩柱的最大延性能力, 其次計算整體屈服的地震加速度及整體的最大延性能力,最后算出橋梁的抗震能力值。
1 橋梁震害加固技術措施
針對橋梁在地震中的震害類型,目前,國內外橋梁抗震加固主要采取以下技術措施:
(1) 在伸縮縫、鉸和梁端等上部接縫處采用拉桿、擋塊或者增加支承面寬度等措施,以防止落梁震害的發(fā)生;
(2)增加鋼筋混凝土橋墩的橫向約束, 提高其抗彎延性和抗剪強度,防止橋墩彎曲和剪切震害;
(3)采用減隔震技術及專門的耗能裝置,提高橋梁的抗震性能。例如采用鉛芯橡膠耗能支座等。對隔震而言,利用周期、阻尼與位移等相依變量進行參數分析,配合加固目標的訂定,最后提出結合位移設計法的隔震裝置加固設計程序。隔震裝置的分析采用鉛芯橡膠支座
(LRB)以及摩擦單擺支座(FPS)兩種。對減震而言,亦可結合位移設計法進行減震加固設計?？墒褂锰娲Y構法,將結構以等效勁度及等效阻尼比以線性迭代的方式來進行粘滯性阻尼器的加固設計。
