淺談大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

趙慧芳

(河北省唐山市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司)

1 抗震設(shè)計(jì)原則

(1)橋梁抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)條件、工程規(guī)模及震害經(jīng)驗(yàn)，選擇合理的橋型及墩臺(tái)、基礎(chǔ)型式;(2)利于抗震，同一座橋中，盡量避免高墩與大跨的結(jié)合，橋梁宜采用減少上部結(jié)構(gòu)自重并有利于抗震的結(jié)構(gòu)形式;(3)橋梁宜體形簡(jiǎn)單、自重輕、剛度和質(zhì)量分布均勻、重心低、便于施工。在構(gòu)造上盡量避免截面突變及“頭重腳輕”的現(xiàn)象。大跨度鋼桁梁、空心橋墩是地震區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的重點(diǎn);(4)橋梁宜采用有利于提高結(jié)構(gòu)整體性的連接方式，墩臺(tái)結(jié)構(gòu)采取提高其延性、震動(dòng)衰減快的相關(guān)措施，必要時(shí)設(shè)置減隔震支座，塑性鉸等防震裝置;(5)橋梁宜盡可能采用技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、便于修復(fù)加固的結(jié)構(gòu)體系;(6)在抗震、防震措施方面，應(yīng)進(jìn)一步開展減震、隔震支座的研究和應(yīng)用;加強(qiáng)鋼筋混凝上橋墩的延性分析與計(jì)算，確定橋墩塑性鉸區(qū)域的范圍;(7)對(duì)于高墩、大跨的特殊橋梁，應(yīng)進(jìn)行專題抗震設(shè)計(jì)與研究。

2 抗震設(shè)計(jì)方法

2.1 基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法

基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法包括:靜力法、反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法。

靜力法始創(chuàng)于意大利，發(fā)展于日本。1900年大森房吉提出了地震烈度表的概念，靜力等效水平最大加速度αmax作為地震烈度的絕對(duì)指標(biāo)，提出結(jié)構(gòu)物所受地震力F可寫為如下形式

式中:W為結(jié)構(gòu)物各部分重量;k為地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值αmax與重力加速度g的比值，稱為地震系數(shù)。

靜力法假設(shè)結(jié)構(gòu)物各部分與地震動(dòng)具有相同的振動(dòng)規(guī)律。結(jié)構(gòu)因地震力引起的慣性力等于地面運(yùn)動(dòng)加速度與結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的乘積，以此慣性力作為靜力施加于結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)線彈性靜力分析。從動(dòng)力學(xué)理論看，該法的缺陷在于，忽略了結(jié)構(gòu)物本身的動(dòng)力特性。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)近似于剛體時(shí)，彈性靜力法才能近似成立。

反應(yīng)譜法則考慮了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與地震動(dòng)特性之間的動(dòng)力關(guān)系，又保持了原有靜力理論的形式。將實(shí)測(cè)地震波代入單自由度動(dòng)力反應(yīng)方程，計(jì)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(jì)算最大地震作用，再按靜力法計(jì)算地震反應(yīng)。反應(yīng)譜分析雖然考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(zhǔn)動(dòng)力分析。反應(yīng)譜理論與結(jié)構(gòu)振型分解法結(jié)合，建立了振型分解反應(yīng)譜法，從而解決了復(fù)雜多自由度體系地震反應(yīng)分析的問(wèn)題。利用振型正交性和振型分解原理進(jìn)行解耦，使之轉(zhuǎn)化為求解獨(dú)立的相當(dāng)于單自由度體系的運(yùn)動(dòng)方程。

建立在有限元等數(shù)值方法求解基礎(chǔ)上的非線性時(shí)程分析法，是目前評(píng)價(jià)橋梁地震行為中相對(duì)而言最成熟、最完善的方法。但是該方法在現(xiàn)有橋梁抗震性能評(píng)價(jià)的應(yīng)用中還是存在著一些問(wèn)題。非線性時(shí)程分析方法的技術(shù)復(fù)雜，計(jì)算工作量大，結(jié)果處理繁雜，并且結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上都依賴于輸人的地震波，然而在同一地區(qū)不可能發(fā)生完全相同的兩次地震。所以時(shí)程分析所選用的地震波實(shí)際上不能真正反映該地區(qū)未來(lái)可能發(fā)生的地震作用情況，分析結(jié)果具有較大的偶然性。而且采用數(shù)值計(jì)算復(fù)雜工程還與計(jì)算者的數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)處理能力有很大的關(guān)系。

2.2 基于性能的設(shè)計(jì)方法

基于性能的設(shè)計(jì)方法主要包括推倒分析法、能力譜法、基于位移的設(shè)計(jì)方法以及基于地震損傷性能的設(shè)計(jì)方法等。

建立在對(duì)目標(biāo)位移或形成機(jī)構(gòu)的思想上的塑性倒塌機(jī)構(gòu)(推倒)分析方法，體現(xiàn)的是基于結(jié)構(gòu)位移性能的抗震思想，其本質(zhì)上是一種與反應(yīng)譜相結(jié)合的靜力彈塑性分析法，它是按一定的水平荷載加載方式，對(duì)結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增的水平荷載，逐步將結(jié)構(gòu)推至一個(gè)給定的目標(biāo)位移來(lái)研究分析結(jié)構(gòu)的非線形性能，從而判斷結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的變形、受力是否滿足設(shè)計(jì)要求。其優(yōu)點(diǎn)突出體現(xiàn)在:與振型分解反應(yīng)譜法相比較，它考慮了結(jié)構(gòu)的彈塑性特性;與時(shí)程分析法相比較，其輸人數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，工作量較小。

3 橋梁抗震設(shè)計(jì)措施

(1)橋位應(yīng)選擇在具有良好的地基和穩(wěn)定的河岸或坡谷地段，以保證橋梁有良好的抗震能力。橋孔布置宜選用等跨，橋臺(tái)宜采用T形或U形橋臺(tái);(2)當(dāng)橋位難以避免的處于液化土或軟土地基上時(shí)，橋梁中線應(yīng)與河流正交。位于液化土或軟土地基上的特大橋、大中橋，應(yīng)適當(dāng)增加橋長(zhǎng)，使橋臺(tái)位于穩(wěn)定的河岸上，避免地震時(shí)橋臺(tái)向河心滑移而造成震害;(3)位于常年有水河流上的特大橋、大中橋，當(dāng)?shù)鼗鶠橐夯粱蜍浲習(xí)r，其墩臺(tái)基礎(chǔ)應(yīng)采用樁基礎(chǔ)，且樁尖埋入穩(wěn)定土層內(nèi)一定深度;(4)墩臺(tái)基礎(chǔ)不應(yīng)置于嚴(yán)重破碎帶上，特殊困難情況下應(yīng)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性;(5)墩臺(tái)頂帽上均應(yīng)設(shè)置防比落梁措施;(6)位于地震后可能形成泥石流溝谷上的橋梁，孔跨和橋下凈高宜根據(jù)流域內(nèi)的地形地質(zhì)情況酌情加大;(7)位于地震區(qū)的拱橋盡量避免跨越斷層，特殊困難情況下應(yīng)進(jìn)行地震安全性評(píng)價(jià);(8)高墩宜采用鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)，按照延性要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在橋墩塑性鉸區(qū)域及緊接承臺(tái)下樁基的適當(dāng)范圍內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)箍筋配置。

4 大跨度橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

(1)對(duì)采用樁基的大跨度梁橋，合理地選用樁-土結(jié)構(gòu)相互作用模型對(duì)動(dòng)力計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要;(2)對(duì)采用樁基的大跨度梁橋，在結(jié)構(gòu)初設(shè)階段，可以根據(jù)內(nèi)力反應(yīng)包絡(luò)圖和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，判斷出預(yù)期會(huì)出現(xiàn)塑性鉸的部位;(3)大跨度拱橋結(jié)構(gòu)主拱的軸壓比一般都比較高，延性設(shè)計(jì)比較困難，所以大跨度拱橋抗震設(shè)計(jì)不宜過(guò)分依賴延性抗震;(4)大跨度拱橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較復(fù)雜，一般需要采用反映譜分析和時(shí)程分析兩種方法互相校核;(5)大跨度拱橋反映譜分析時(shí)，應(yīng)至少考慮兩種地震動(dòng)輸入方式。即縱橋向+豎向輸入和橫橋向+豎向輸入，其中豎向反映譜值取水平反映譜值的2/3;(6)大跨度拱橋時(shí)程分析時(shí)，地震波應(yīng)至少考慮三種輸入方式。

[1] 楊文淵.橋梁施工工程師手冊(cè).北京:人民交通出版社，1995.

[2] 劉文仕.橋梁抗震設(shè)計(jì)方法綜述[J].中國(guó)水運(yùn)，2008，8(6):225-226.

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