淺談結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在橋梁抗震工程中的應(yīng)用

摘要：結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性被廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)評(píng)估中， 由此涉及到一些結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本概念的理解和實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題.本文就橋梁中存在的一些動(dòng)荷載等相關(guān)問(wèn)題，指出結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)在橋梁結(jié)構(gòu)抗震安全方面重要的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)橋梁抗震工程動(dòng)力特性性能水準(zhǔn)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越關(guān)心一些重大工程的安全問(wèn)題，對(duì)一些工程的安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和校核的要求變得更高。人們也開(kāi)始展開(kāi)對(duì)橋梁中存在的一些結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的研究，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、橋梁結(jié)構(gòu)故障診斷和橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)等工程技術(shù)領(lǐng)域。

1.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)作為結(jié)構(gòu)力學(xué)的一個(gè)分支，著重研究結(jié)構(gòu)對(duì)于動(dòng)荷載的響應(yīng)，以便確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)力學(xué)特性，或者為改善結(jié)構(gòu)的性能提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)考慮了結(jié)構(gòu)因變形而產(chǎn)生的彈性力，任何結(jié)構(gòu)所受的荷載都具有不同程度的動(dòng)載荷性質(zhì)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中動(dòng)力荷載下所受的荷載比靜力學(xué)中的靜力荷載下所受的荷載要高，而且有大部分重大工程結(jié)構(gòu)主要在振動(dòng)環(huán)境下工作，我們應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)不安全的一面，盡可能的減少大型工程中的風(fēng)險(xiǎn)以保證人們生命財(cái)產(chǎn)安全。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的理論和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究不僅為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)深一步的理論分析奠定了基礎(chǔ)，而且成為解決實(shí)際工程問(wèn)題的重要手段。

2.橋梁中的抗震問(wèn)題

實(shí)際震害表明，在以生命安全為單一設(shè)防水準(zhǔn)的規(guī)范指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的建筑，盡管可以有效防止倒塌，但是由于結(jié)構(gòu)破壞而帶來(lái)的直接與間接財(cái)產(chǎn)損失卻是事先沒(méi)有預(yù)料到的。為了防止這種情況的發(fā)生，就要求以后設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不僅要保證生命的安全，同時(shí)也要控制結(jié)構(gòu)的破壞程度，使財(cái)產(chǎn)的損失控制在可以接受的范圍內(nèi)。這就需要在實(shí)際設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同設(shè)防水準(zhǔn)的地震，結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有明確的性能水平。由于結(jié)構(gòu)的性能與結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，而結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)又可由結(jié)構(gòu)的反應(yīng)參數(shù)或者某些定義的破壞指標(biāo)來(lái)確定，所以結(jié)構(gòu)性能水平可以這些參數(shù)來(lái)劃分。盡管知道結(jié)構(gòu)性能由某個(gè)參數(shù)來(lái)劃分可能不盡完善，但是鑒于目前研究水平，研究者們提出基于位移（變形） 來(lái)劃分結(jié)構(gòu)性能水平是方便實(shí)用的，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)變形也可以有效地反映結(jié)構(gòu)破壞情況。對(duì)應(yīng)于各地震作用水準(zhǔn)，建筑應(yīng)滿足的性能水準(zhǔn)[1]：

水準(zhǔn)1：正常使用：結(jié)構(gòu)無(wú)永久側(cè)移；基本保持原有強(qiáng)度和剛度；結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本不損壞。

水準(zhǔn)2：可以暫時(shí)使用：結(jié)構(gòu)無(wú)永久側(cè)移；基本保持原有強(qiáng)度和剛度；結(jié)構(gòu)構(gòu)件與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件有輕微破壞。

水準(zhǔn)3：生命安全：結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定；具有足夠的豎向承載力儲(chǔ)備。

水準(zhǔn)4：防止倒塌：橋梁整體結(jié)構(gòu)保持不倒；承受荷載的柱子仍起作用。

在基于性能抗震設(shè)計(jì)中，為了求得在不同水平地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)性能指標(biāo)（這個(gè)指標(biāo)可以由結(jié)構(gòu)變形來(lái)確定，也可以由一些定義的破壞指標(biāo)來(lái)確定），就需要采用合理的結(jié)構(gòu)模型、恰當(dāng)?shù)姆治龇椒ㄟM(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。由于基于性能抗震設(shè)計(jì)要考慮不同水平地震作用下結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)，故不僅需要在低水平地震作用下結(jié)構(gòu)的彈性分析，而且更重要的是結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下的非線性受力分析。對(duì)于彈性結(jié)構(gòu)分析，一般可采用彈性靜力或彈性動(dòng)力分析手段，分析方法也比較成熟。而對(duì)于非線性分析，一般采用彈塑性時(shí)程分析或者彈塑性靜力分析方法，對(duì)于彈塑性時(shí)程分析，由于計(jì)算量大，分析復(fù)雜，且在合理選擇地震動(dòng)時(shí)程時(shí)也有很大困難，故不適于廣泛的應(yīng)用。而對(duì)于彈塑性靜力分析方法。特別是結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)以結(jié)構(gòu)變形（層間位移、頂點(diǎn)位移或某些構(gòu)件的截面的變形）來(lái)表示時(shí)，彈塑性靜力分析可以很方便地確定這些性能指標(biāo)。目前，在國(guó)際上被廣泛推廣使用。在基于性能抗震設(shè)計(jì)中，為了很好地控制結(jié)構(gòu)在不同水平地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)性能，在分析中也有必要采用三維的彈塑性分析，考慮地基與結(jié)構(gòu)的相互作用、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)的影響等諸多因素。反映到橋梁的安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，就是要充分考慮橋梁在當(dāng)?shù)匕l(fā)生歷史最大地震的情況下不發(fā)生完全破壞可進(jìn)行修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在橋梁抗震工程中的應(yīng)用

通常人們使地震對(duì)橋梁減小破壞的措施主要是通過(guò)兩種途徑，即通過(guò)減小地震動(dòng)的輸入來(lái)使其控制在橋梁能夠承受的范圍和通過(guò)改變橋梁本身的性能來(lái)適應(yīng)或應(yīng)對(duì)地震振動(dòng)等來(lái)減小對(duì)橋梁的影響，使橋梁能夠承受住這種影響。地震的災(zāi)害給我國(guó)人民人身安全造成了嚴(yán)重的威脅，發(fā)生重大災(zāi)情的時(shí)候，橋梁作為交通樞紐，它的安全穩(wěn)定顯得特別重要。因此，我們必須在一定的經(jīng)濟(jì)條件下，最大限度得限制和減輕橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞，從而保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全不受損害。

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)所特有的特性，動(dòng)力結(jié)構(gòu)在地震時(shí)就會(huì)有一定的動(dòng)力效應(yīng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)的地震反應(yīng)加速度與地面運(yùn)動(dòng)的加速度有所不同，且結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)的地震結(jié)構(gòu)自震周期與阻尼具有一定的聯(lián)系。對(duì)動(dòng)力學(xué)方法的應(yīng)用可以對(duì)自由度彈性體系質(zhì)點(diǎn)的加速度反應(yīng)進(jìn)行求解，并求得不同周期的加速度反應(yīng)，并根據(jù)實(shí)際已有的數(shù)據(jù)給出合理的優(yōu)化方案。

如果我們仔細(xì)研究鋼框架結(jié)構(gòu)的非彈性地震反應(yīng)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)柱的軸向塑性變形會(huì)朝一個(gè)方向積累，進(jìn)而導(dǎo)致水平位移增大，從而加劇 P—Δ效應(yīng)。軸向力將減小撓曲為主的振型的自振頻率，而且將加大拉伸振型的自振頻率。運(yùn)用離散變量方法，對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行處理，用拉格朗日方程進(jìn)行一般性分析，以便考慮結(jié)構(gòu)的空間特性[2]。

結(jié)束語(yǔ)

橋梁是交通建設(shè)中的樞紐工程，橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的理論為橋梁安全性、穩(wěn)定性提供了重要的技術(shù)支撐，使得橋梁結(jié)構(gòu)整體的安全性能得到了保障。在對(duì)橋梁抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的使用功能和使用年度進(jìn)行考慮，同時(shí)還需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全防震性能進(jìn)行考慮，并在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中充分對(duì)地震的來(lái)臨進(jìn)行模擬，要保證橋梁符合小震不壞、中震可修、大震不倒的原則[3]。為了做到以上的抗震要求，就要對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的基本原理和方法進(jìn)行充分的學(xué)習(xí)，并運(yùn)用到橋梁抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫俊，劉錚等.工程結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法研究.四川建筑科學(xué)研究，2005，6.

[2]劉旺.建筑結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的防震減震應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011，23（22）：312.

[3]王敬東，胡曉飛，董一丁.建筑結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的防震減震應(yīng)用研究[J].城市建筑，2013（18）：49.

作者簡(jiǎn)介：田晶（1996年3月）女漢族河北省徐水縣身份證號(hào)：230208199603030029 本科生研究方向：水利水電工程