橋梁抗震理論及其控制

花雙陸 徐利軍

近一百年來世界范圍內(nèi)發(fā)生了很多強(qiáng)烈地震,造成了包括橋梁在內(nèi)的土木工程結(jié)構(gòu)的重大破壞。為減輕地震所造成的生命與財(cái)產(chǎn)損失,人類與之進(jìn)行長期不懈的努力。調(diào)查與分析橋梁的震害及其產(chǎn)生的原因,對于認(rèn)識結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、建立正確的抗震分析、設(shè)計(jì)方法,有巨大的價(jià)值。

1 橋梁震害

橋梁結(jié)構(gòu)的形式雖然多種多樣,但總體上可以區(qū)分為上部結(jié)構(gòu)、連接構(gòu)件、橋墩和基礎(chǔ)。橋梁的震害可以按此歸納和總結(jié)[1]。

橋梁上部結(jié)構(gòu)的震害,按照震害產(chǎn)生原因的不同,可分為上部結(jié)構(gòu)本身的震害,上部結(jié)構(gòu)的移位震害(包括落梁震害),以及上部結(jié)構(gòu)的碰撞震害。橋梁上部結(jié)構(gòu)的移位震害在破壞性地震中極為常見,表現(xiàn)為縱向移位、橫向移位以及扭轉(zhuǎn)移位;一般來說,設(shè)置伸縮縫的地方比較容易發(fā)生移位震害;如果上部結(jié)構(gòu)的移位超出了墩、臺等的支承面,則會發(fā)生更為嚴(yán)重的落梁震害。橋梁在地震中的碰撞,比較典型的有:相鄰跨上部結(jié)構(gòu)的碰撞,上部結(jié)構(gòu)與橋臺的碰撞,相鄰橋梁間的碰撞。

支座的破壞形式主要表現(xiàn)為支座移位、錨固螺栓拔出、剪斷,活動(dòng)支座脫落以及支座本身構(gòu)造上的破壞等。支座的破壞會引起力的傳遞方式的變化,從而對結(jié)構(gòu)其他部位的抗震產(chǎn)生影響,進(jìn)一步加重震害。

橋梁結(jié)構(gòu)中普遍采用的鋼筋混凝土墩柱,其破壞形式主要有彎曲破壞和剪切破壞。框架墩的震害主要表現(xiàn)為:蓋梁的破壞,墩柱的破壞以及節(jié)點(diǎn)的破壞。橋臺的震害除了地基喪失承載力(如砂土液化)等引起的橋臺滑移外,主要表現(xiàn)為臺身與上部結(jié)構(gòu)(如梁)的碰撞破壞,以及橋臺向后傾斜。

地基失效(如土體滑移和砂土液化)是橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生震害的主要原因。樁基震害有極大的隱蔽性,許多樁基的震害是通過上部結(jié)構(gòu)的震害體現(xiàn)出來的;但是,有時(shí)上部結(jié)構(gòu)震害輕微,而開挖基礎(chǔ)卻發(fā)現(xiàn)樁基已產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞,甚至發(fā)生斷裂破壞。

通過研究橋梁歷次震害,我們得到的啟示是:要重視橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力概念設(shè)計(jì),選擇較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系;要重視延性抗震,用能力設(shè)計(jì)思想進(jìn)行抗震設(shè)計(jì);要重視支承連接部位的設(shè)計(jì);要重視細(xì)部構(gòu)造的設(shè)計(jì);要重視采用減、隔震措施提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

2.1 靜力法

靜力法產(chǎn)生于20世紀(jì)初期,是最早的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法。20世紀(jì)初前后日本濃尾、美國舊金山和意大利Messina的幾次大地震中,人們注意到地震產(chǎn)生的水平慣性力對結(jié)構(gòu)的破壞作用,提出把地震作用看成作用在建筑物上的一個(gè)總水平力,該水平力取為建筑物總重量乘以一個(gè)地震系數(shù)。

靜力法沒有考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng),考慮到不同地區(qū)地震強(qiáng)度的差別,設(shè)計(jì)中取用的地面運(yùn)動(dòng)加速度按不同地震烈度分區(qū)給出。由于靜力法忽略了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性這一重要因素,把地震加速度看作是結(jié)構(gòu)地震破壞的單一因素,因而有很大的局限性,只適用于剛度很大的結(jié)構(gòu),如重力式橋臺等。

2.2 反應(yīng)譜法

以地震加速度反應(yīng)為豎坐標(biāo),以體系的自振周期為橫坐標(biāo),所得到的關(guān)系曲線稱為地震加速度反應(yīng)譜,以此來計(jì)算地震作用引起的結(jié)構(gòu)上的水平慣性力更為合理,這即是反應(yīng)譜法。動(dòng)力反應(yīng)譜法同時(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。

1956年,紐馬克(N.M.New mark)首次把該法應(yīng)用于實(shí)際工程的抗震設(shè)計(jì),并取得了良好效果;1958年,第一屆世界地震工程會議之后,這一方法逐漸被許多國家接受,并應(yīng)用到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中。

結(jié)構(gòu)物可以簡化為多自由度體系,而多自由度體系的地震反應(yīng)可以按振型分解為多個(gè)單自由度體系反應(yīng)的組合,反應(yīng)譜的概念可以由廣義線性單自由度體系來說明:

反應(yīng)譜方法用于抗震設(shè)計(jì)的基本步驟:第一步是根據(jù)強(qiáng)震記錄統(tǒng)計(jì)用于設(shè)計(jì)的地震動(dòng)反應(yīng)譜;第二步是將結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程進(jìn)行振型分解,將物理位移用振型廣義坐標(biāo)表示,而廣義坐標(biāo)的最大值由第一步中的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜求得;最后,反應(yīng)譜的最大值可通過適當(dāng)?shù)姆椒▽⒏髡裥头磻?yīng)最大值組合起來得到,進(jìn)而就可以求出地震作用。

2.3 動(dòng)力時(shí)程法

動(dòng)力時(shí)程分析法是隨著強(qiáng)震記錄的增多和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的,是目前工程界公認(rèn)的精確分析方法。世界上大多數(shù)國家的抗震規(guī)范都規(guī)定除對常用的中小跨度橋梁采用反應(yīng)譜分析法以外,對地位重要、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、跨度較大的橋梁所做的抗震計(jì)算均要求采用動(dòng)力時(shí)程分析法。動(dòng)力時(shí)程分析法從選定的地震動(dòng)輸入(地震動(dòng)加速度時(shí)程)出發(fā),采用多結(jié)點(diǎn)多自由度的結(jié)構(gòu)有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型建立地震動(dòng)方程,采用逐步積分法對方程求解,結(jié)算地震過程中每一瞬時(shí)結(jié)構(gòu)的位移、速度以及加速度反應(yīng)。動(dòng)力時(shí)程分析法可以精確的考慮地基和結(jié)構(gòu)的相互作用,地震時(shí)程相位差及不同地震時(shí)程多分量多點(diǎn)輸入,結(jié)構(gòu)的各種非線性因素(包括材料非線性、幾何非線性以及邊界連接條件非線性)。此外,動(dòng)力時(shí)程分析法可以使橋梁的抗震設(shè)計(jì)從單一的強(qiáng)度保證轉(zhuǎn)入強(qiáng)度和變形的雙重保證,同時(shí),能夠使橋梁工程師更清楚結(jié)構(gòu)受地震力的破壞機(jī)理,從而有效地采取相應(yīng)的措施來提高橋梁的抗震能力。但是采用時(shí)程分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分析技術(shù)復(fù)雜,計(jì)算工作量大,目前應(yīng)用尚不普及,通常僅限于理論研究以及結(jié)構(gòu)形式特殊、非常重要的橋梁結(jié)構(gòu)中。

3 橋梁結(jié)構(gòu)控制[5,6]

3.1 主動(dòng)控制

結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制是由外部能源向結(jié)構(gòu)直接提供主動(dòng)控制力,達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的控制方式。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的控制效果,從理論上講,是最為有效的結(jié)構(gòu)控制方法。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的研究主要包括:結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制算法,結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制裝置,結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制試驗(yàn)及實(shí)際工程應(yīng)用。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制算法主要有:最優(yōu)控制算法,極點(diǎn)配制控制算法,獨(dú)立模態(tài)空間控制算法,自適應(yīng)控制算法,脈沖控制算法等。

結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制對結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的控制效果,已得到理論和試驗(yàn)的證實(shí)。但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的原因,用主動(dòng)控制的方法來減小高層建筑及高聳結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng),短期內(nèi)在我國還不能成為現(xiàn)實(shí)。

3.2 半主動(dòng)控制

結(jié)構(gòu)半主動(dòng)控制是一種主動(dòng)改變結(jié)構(gòu)參數(shù),僅需部分能源實(shí)現(xiàn)其控制裝置工作狀態(tài)的變換,使控制系統(tǒng)的參數(shù)能隨著結(jié)構(gòu)的反應(yīng)和外荷載的變化而變化,從而減小結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的結(jié)構(gòu)控制方式。結(jié)構(gòu)半主動(dòng)控制方法主要有主動(dòng)變阻尼和主動(dòng)變剛度兩種。

3.3 被動(dòng)控制

結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制是控制裝置不需要外部能源輸入的控制方式。被動(dòng)控制采用隔震、吸振和耗能等技術(shù)消耗結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量,達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的目的。其控制力是控制裝置隨結(jié)構(gòu)一起振動(dòng),因控制裝置自身的運(yùn)動(dòng)而被動(dòng)產(chǎn)生的。被動(dòng)控制裝置相對來說是一種經(jīng)濟(jì)、較易實(shí)現(xiàn)的方法。被動(dòng)控制的效果低于主動(dòng)控制,但其造價(jià)低廉、可靠性高、簡便易行的特點(diǎn)使其得到廣泛地應(yīng)用。被動(dòng)控制裝置主要有摩擦隔震、搖擺柱隔振、各種形式的阻尼器吸振、人工塑性鉸等。

隔震技術(shù)的原理是在結(jié)構(gòu)的底部與基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置軟墊層或滑動(dòng)層,用來阻隔地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞,從而減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

耗能減振技術(shù)是將結(jié)構(gòu)的某些部件設(shè)計(jì)成耗能部件或安裝一些耗能阻尼器來消耗結(jié)構(gòu)的部分振動(dòng)能量,從而減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。

吸振裝置的工作原理是:附加在結(jié)構(gòu)上的子系統(tǒng)吸收結(jié)構(gòu)部分的振動(dòng)能量,達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的目的。吸振裝置主要有:調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)、調(diào)頻液體阻尼器(TLD)、液壓質(zhì)量控制系統(tǒng)(HMS)。

3.4 混合控制

近年來,主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的組合使用,即混合控制受到了廣泛的關(guān)注?；旌峡刂葡到y(tǒng)能夠減少單獨(dú)使用被動(dòng)或主動(dòng)控制系統(tǒng)的局限性,并充分利用兩種系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn),拓寬了控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。主動(dòng)設(shè)備和基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)相結(jié)合是典型的混合控制系統(tǒng),在地震期間,控制該隔震系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)與地面之間滑動(dòng)面上的摩擦力,將滑動(dòng)位移限制在許可范圍內(nèi)。試驗(yàn)研究成功地驗(yàn)證了混合控制系統(tǒng)在減小上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)中相對于被動(dòng)基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的優(yōu)越性。

4 結(jié)語

通過歷次橋梁震害的分析,人們逐步改進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法,近年來還把航空、機(jī)械等領(lǐng)域的控制理論引進(jìn)橋梁抗震領(lǐng)域,這是今后橋梁工程領(lǐng)域中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

[1]范立礎(chǔ),卓衛(wèi)東.大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.

[3]王克海,李 茜.橋梁抗震的研究進(jìn)展[J].工程力學(xué),2007,24(S2):75-86.

[4]高 遠(yuǎn),魏志剛,王慶寬.淺談橋梁抗震分析方法[J].吉林交通科技,2009(1):43-45.

[5]歐進(jìn)萍.結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制——主動(dòng)、半主動(dòng)和智能控制[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[6]鐘萬勰,林家浩,吳志剛,等.大跨度橋梁分析方法的一些進(jìn)展[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000,40(2):59-60.