淺析現(xiàn)代化城市橋梁抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

丁　一　鄭　委

（鄭州市工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南鄭州 450000）

淺析現(xiàn)代化城市橋梁抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

丁一鄭委

（鄭州市工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南鄭州 450000）

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提升機(jī)現(xiàn)代化程度的逐步提高，城市人口大幅度提升，這就導(dǎo)致城市防災(zāi)問題日漸凸顯。橋梁損壞將中斷道路交通網(wǎng)，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。作為城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要工程之一，橋梁工程的破壞將為震后救援工作造成極大的影響，進(jìn)而加重次生災(zāi)害的出現(xiàn)。尤其是現(xiàn)代化城市建設(shè)中，將對城市化生產(chǎn)、運(yùn)作造成極大的影響。本文主要對現(xiàn)代化城市橋梁震害的影響因素、抗震方式及抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析與探究。

現(xiàn)代化城市 橋梁工程 抗震設(shè)計(jì) 影響因素 減隔震設(shè)計(jì)

1　現(xiàn)代化城市橋梁震害的影響因素

1.1地震烈度的影響

按照不同烈度，對112座橋梁進(jìn)行震害分析，如表1所示。從其分析結(jié)果可以得出，支座破壞、墩臺損壞、梁體移位與地基基礎(chǔ)破壞等是某一烈度區(qū)橋梁震害的主要類型，嚴(yán)重落梁破壞為高烈度區(qū)。分析某一種震害類型時，如不斷增加烈度，橋梁的破壞程度也會隨之增加，特別是具有較為顯著的落梁破壞情況。在大于x的高烈度區(qū)，橋梁破壞的震害情況極為嚴(yán)重。

1.2建設(shè)年代的影響

通過支座破壞對建設(shè)年代對橋梁震害的影響進(jìn)行分析，在上個世紀(jì)六十年代以前，鋼支座、混凝土擺式支座及簡單的瀝青油氈支座是橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式，其中最多的為鋼支座。板式橡膠支座在1964年出現(xiàn)，四氟板式橡膠支座、盆式橡膠支座在1970年后隨即出現(xiàn)，截至目前，我國橋梁所有支座都選用了板式橡膠支座、盆式橡膠支座及球型橡膠支座。與支座發(fā)展歷史相結(jié)合進(jìn)行分析，可以得出，橡膠支座更利于減輕對橋梁的震害影響。

1.3結(jié)構(gòu)體系的影響

以簡支梁橋與連續(xù)梁橋?yàn)槔M(jìn)行分析。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，橋梁震害中占落梁震害成分最多的為縱向落梁，比例約97%，在落梁震害中很少見橫向落梁及扭轉(zhuǎn)滑移落梁。一端為固定支座、一端為滑動支座是簡支梁橋梁體和橋墩連接的主要方式，兩端橋墩不同的縱向位移在地震作用下很容易出現(xiàn)縱向落梁情況。連續(xù)橋梁縱向方面因具有良好的整體連續(xù)性，則不可能出現(xiàn)縱向落梁情況，但這種橋梁如出現(xiàn)橋墩損壞情況，將產(chǎn)生橫向整體坍塌現(xiàn)象。如我國2008年汶川地震百花大橋第5聯(lián)整體倒塌就屬于2個連續(xù)梁破壞。

兩種結(jié)構(gòu)體系橋梁相比，連續(xù)梁橋發(fā)展橋墩傾斜震害的機(jī)率較大，主要原因在于連續(xù)橋梁屬于固定支座設(shè)計(jì)，在地震作用下橋墩需要承受的地震荷載具有較大的差異，進(jìn)而導(dǎo)致橋墩破壞程度也具有極大的差距，連續(xù)梁扭轉(zhuǎn)作用同樣也會給固定支座設(shè)置的橋墩造成極大的影響。簡支梁橋與連續(xù)梁橋橋墩類型不同原因主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):雙柱門式（帶蓋梁）橋墩是簡支梁橋墩的主要形式，這種形式具有較大的橫向剛度，不易產(chǎn)生橫向傾斜情況。沒有蓋梁的雙柱式與單柱式是連續(xù)梁橋橋墩的重要形式，這種形式具有較小的橫向整體剛度，因此，簡支梁具有更好的抗震性能。

表1　不同烈度的橋梁震害對比分析

2　現(xiàn)代化城市橋梁抗震方式的選擇

（1）靜力法。1900年由日本大房森吉首次提出靜力法，這種橋梁抗震方式假設(shè)結(jié)構(gòu)物所有位置和地震的振動具有一致性。這種情況下，只有地面運(yùn)動加速度x結(jié)構(gòu)物質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力作用于結(jié)構(gòu)物上面。也就是將地面運(yùn)動特性和結(jié)構(gòu)動力特性因素進(jìn)行忽略，只是將結(jié)構(gòu)在地震時的動力反應(yīng)看作是靜止的地震慣性力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析。隨后佐野在1915年提出了震度法，也就是遵循靜力法的含義，將結(jié)構(gòu)1/10的重量作為水平地震荷載。以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作為靜力法的破壞準(zhǔn)則，通常情況下，必須將結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)控制在結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)以下，并通過地震荷載中某一系數(shù)的多少來對地面運(yùn)動情況、場地地基損壞情況等進(jìn)行有效反映。

（2）Push—over分析法。因抗震方式都具有不同程度的缺陷，因此有效結(jié)合位移設(shè)計(jì)方式與能力設(shè)計(jì)方式已經(jīng)成為現(xiàn)代化城市橋梁抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。位移設(shè)計(jì)方法應(yīng)對結(jié)構(gòu)不同破壞極限狀態(tài)進(jìn)行充分考慮，能力設(shè)計(jì)是指利用抗側(cè)力體系構(gòu)建應(yīng)用恰當(dāng)?shù)恼w與構(gòu)造細(xì)部設(shè)計(jì)作為強(qiáng)震下的延性耗能機(jī)構(gòu)，確保地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)能夠在設(shè)計(jì)位置中進(jìn)行耗能，進(jìn)而起到結(jié)構(gòu)控制的作用。

3　現(xiàn)代化城市橋梁延性抗震設(shè)計(jì)

材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的延性，通常定義為在初始強(qiáng)度退化不明顯的情況下的非彈性變形能力。承受較大的非彈性變形，并確保強(qiáng)度沒有明顯下降的能力及利用滯回特性吸收能量的能力是延性的主要能力。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，通常都會通過結(jié)構(gòu)與構(gòu)件延性增加抗震能力，也就是通過塑性鉸進(jìn)行地震力的降低，并進(jìn)行能量耗散。利用延性抗震設(shè)計(jì)，可以確保橋梁結(jié)構(gòu)對大地震產(chǎn)生的反復(fù)彈塑性變形循環(huán)滯回延性進(jìn)行充分適應(yīng)，在遇到震級較大的地震時，橋梁結(jié)構(gòu)盡可能出現(xiàn)破損現(xiàn)象，但通過抗震措施，可以避免橋梁坍塌情況的出現(xiàn)。

3.1延性指標(biāo)

通過延性含義進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)先進(jìn)行度量延性量化指標(biāo)的確定，也就是進(jìn)行延性指標(biāo)的確定，通常情況下，延性指標(biāo)由曲率延性指標(biāo)與位移延性指標(biāo)表示。

公示中，塑性鉸區(qū)截面的屈服曲率與極限曲率將分別由?u和?y表示。

公式中，延性構(gòu)件的屈服位移與極限位移分別由uΔ與yΔ表示。

3.2延性構(gòu)件的設(shè)計(jì)地震力

通常情況下，對屬于完全延性結(jié)構(gòu)形式的常規(guī)橋梁，都會選用以下公式對設(shè)計(jì)地震力進(jìn)行計(jì)算:

公式中FE遵循彈性反應(yīng)譜理論計(jì)算的彈性地震力，強(qiáng)度折減系數(shù)為R，水平地震系數(shù)為Kh，結(jié)構(gòu)動力放大系數(shù)為1β；橋梁總重為Gtp。

4　現(xiàn)代化城市橋梁減隔震設(shè)計(jì)

4.1橋梁減隔震原理

橋梁減隔震是合理分離結(jié)構(gòu)和可能引起的地面運(yùn)動，以此進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)地震力的有效降低。目前選用柔性支承進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振周期的延長。地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率和地震動卓越頻率的禍合程度將對建筑物的破壞程度造成極大的影響。對結(jié)構(gòu)自振周期進(jìn)行有效延長可以對結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)進(jìn)行有效減小。一般情況下，都會選用減隔震技術(shù)，是指將減隔震裝置在橋梁結(jié)構(gòu)的上、下部結(jié)構(gòu)之間，通過減隔震裝置的相對較大變形來進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)的減少，地震力破壞程度的降低，可以有效減少地震力的作用。對結(jié)構(gòu)周期的延長雖然可以起到地震力降低的作用，但會增加結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)，在正常使用荷載下結(jié)構(gòu)極可能出現(xiàn)較大的振動。如利用阻尼裝置，不僅可以對結(jié)構(gòu)阻尼進(jìn)行有效增加，更能對結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)及上部結(jié)構(gòu)相對位移情況進(jìn)行有效減少，可以在允許范圍內(nèi)有效控制位移，通過減隔震裝置的大變形可以對大量地震能量進(jìn)行有效幾首，進(jìn)而起到上部結(jié)構(gòu)慣性力減小的目的，并確保下部結(jié)構(gòu)始終處于彈性范圍內(nèi)，以此達(dá)到地震力減小的作用。

4.2常用的減隔震裝置

（1）疊層橡膠支座。我國最常見的橋梁隔震器就是疊層橡膠支座，這種隔震器主要利用橡膠片和鋼板相互交替疊合粘接形成。在橡膠片橫向變形中鋼板將其起到約束作用，進(jìn)而增加疊層橡膠墊的豎向剛度。薄鋼板在水平剛度中將對橡膠的剪切變形不會造成任何影響，因此保持了橡膠固有的柔韌性。通過橋梁結(jié)構(gòu)柔性的增加，橡膠支座可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)周期的延長，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減震的目的。但疊層橡膠支座在降低地震荷載對橋墩、臺影響的同時，極可能對梁體和橋墩、臺之間的相對位移進(jìn)行一定程度的提升，由此可見，這種減震方式具有一定的缺陷。

（2）鉛芯橡膠支座與新型減震支座。鉛芯橡膠支座在減隔震方面具有極大的優(yōu)勢，這種結(jié)構(gòu)是充分結(jié)合橡膠與彈塑性阻尼。作為一種隔震器、阻尼器結(jié)合的隔震支座，鉛芯橡膠支座是將鉛棒添加到一半橡膠支座內(nèi)進(jìn)行制作的。鉛的特點(diǎn)包括:較低屈服應(yīng)力與豐滿的滯回曲線，更是一個效果良好的阻尼器。據(jù)相關(guān)試驗(yàn)顯示，鉛芯橡膠支座的滯回特性較為不錯，與一般疊層橡膠支座相比，這種支座的初始剛度超過其10倍，鉛芯橡膠支座的屈后剛度與一般疊層橡膠支座的剪切剛度較為一致。作為短跨橋梁抗震問題處理較為便捷的方式，因其缺點(diǎn)，較差的耐久性、穩(wěn)定性及有限的承載力，鉛芯橡膠支座在橋梁減隔震應(yīng)用具有較大的局限性。

5　結(jié)語

綜上所述，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，橋梁結(jié)構(gòu)型式的合理性及較強(qiáng)的抗震能力將對震害的出現(xiàn)及破壞程度大大降低，為了確?，F(xiàn)代化城市橋梁具有良好的抗震性能，施工單位必須重視橋梁抗震設(shè)計(jì)，只有加大橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的力度，才能避免橋梁因地震因素出現(xiàn)損壞情況。

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