橋梁抗震研究現(xiàn)狀

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400000)

引言

近幾年，我國地震頻繁發(fā)生。這已經(jīng)給人們的生命安全帶來了巨大的隱患，尤其是在我國的西南地區(qū)，比較有代表性的就是2008年的“汶川地震”，其地震大小達到里氏8.0級，據(jù)政府部門統(tǒng)計，本次地震造成69227人遇難，直接經(jīng)濟損失約8452億元人民幣，其造成的巨大人員傷亡和經(jīng)濟損失震驚中外。而隨著社會經(jīng)濟和文明的發(fā)展，人們對交通線的依賴性越來越強。而作為交通運輸中關(guān)鍵的橋梁工程就在抗震救災的工作大局中顯得尤為重要。在“汶川地震”中，重災區(qū)469座公路橋梁中有88.4%的受到不同程度破壞，這給當時的救援環(huán)境提出了一個嚴峻的挑戰(zhàn)，因此橋梁工程的抗震也逐漸得到了重視。當然抗震設(shè)計不免會碰到許多難題，同時在其過程中又不斷有新的問題[1-4]。

一、中國橋梁抗震研究現(xiàn)狀

隨著世界經(jīng)濟飛速發(fā)展，伴隨的交通建設(shè)也進入了一個黃金時期，其中橋梁抗震的關(guān)注度隨著近年來全世界地震的頻繁發(fā)生而得到了很大的提高，這也促使我國近些年在抗震研究領(lǐng)域取得了長足的進步，但是在與本領(lǐng)域世界先進國家的對比中，我們還是存在很大的差距。因此，我們還需要做大量的研究來提高該領(lǐng)域?qū)嵙Α?/p>

(一)中國橋梁抗震主要理論

經(jīng)過人類長時間研究以來確定的橋梁抗震反應分析方法主要分為三種：靜力法、動力反應譜法和動態(tài)時程分析法。其中，最早采用的方法為靜力法，其原理為假定橋梁結(jié)構(gòu)與地震動有一樣大小的振動，然后把構(gòu)件在地表運動加速度影響下產(chǎn)生的慣性力施加到結(jié)構(gòu)上來作為抗震計算。但是靜力法有一個比較大的缺陷，即把橋梁構(gòu)件由于地震而破壞的因素單一歸結(jié)為地震加速度，因此這種方法適用的條件為剛度很大的結(jié)構(gòu)。而針對靜力法所體現(xiàn)出來的缺點，人們經(jīng)過努力得到了動力反應普法，該方法不止考慮了包含原有的地面運動特性，還結(jié)合了結(jié)構(gòu)的動力特性。其通過單質(zhì)點振子的力學圖示來闡明反應普的概念，這樣會使計算結(jié)果更加的精確與標準。而動力時程法則是伴隨近幾十年以來計算機技術(shù)的發(fā)展而研究出的一種最新方法，它利用計算機建模的功能把很多因素(幾何、材料、邊界連接條件非線性)和分塊阻尼等考慮到內(nèi)，這樣可以更精確的分析模擬出地震來臨時對橋梁各方面的影響，因此該方法被公認為是最精細的分析方法。

(二)中國橋梁抗震部分研究現(xiàn)狀

1.基于延性的抗震設(shè)計

在橋梁抗震設(shè)計研究中，我們除了要遵守基本的原則之外，還應該重視橋梁延性問題。延性的定義為在地震作用下，強度沒有發(fā)生很大的變化前提下它所具有的非彈性變形能力，同時其還能利用滯回特性來吸收能量。延性抗震設(shè)計也就是利用塑性的變形來抵抗地震波帶來的影響，從而減少地震帶給橋梁結(jié)構(gòu)的損害，這樣子就可以延長橋梁結(jié)構(gòu)的周期以達到保護橋梁的目的。

基于延性設(shè)計理論，橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力大大提升。值得注意的是在曲線梁橋抗震研究中，我們常以直代彎建立模型分析。事實上通過實驗分析表明這種建模對結(jié)構(gòu)的主要振型周期、質(zhì)量參與系數(shù)和模態(tài)不會產(chǎn)生明顯誤差，非線性時程分析也表明了直梁模型有著較高的數(shù)值精度，雖然曲梁的主梁圓心角增大會影響其精度即以直代彎建模的實用性，但是大多數(shù)曲梁采用這種抗震設(shè)計是具有較好的可信度。這些抗震設(shè)計中，由一開始的考慮縱向橋梁地震力作用逐步擴展到橫向地震力作用的影響，一般考慮了擋塊對橋梁橫向地震作用力的影響，其分析可以具體到對斜拉橋，連續(xù)梁橋，規(guī)則梁橋等等常見橋梁的精確分析。

2.基于減隔震設(shè)置的設(shè)計

有些條件下，要憑借結(jié)構(gòu)自身抵抗地震作用比較麻煩，還有可能要付出其他的嚴重后果。因此必須尋求更為有效的抗震手段，這時候結(jié)構(gòu)控制技術(shù)就產(chǎn)生了。減隔震技術(shù)屬于結(jié)構(gòu)控制中應用最為廣泛的被動控制技術(shù)。

減隔震技術(shù)是一種利用特制的減震結(jié)構(gòu)或裝置以及隔震體系使之在強震時優(yōu)先進入塑性產(chǎn)生大阻尼大耗能或者阻止地震能量進入主體結(jié)構(gòu)。

其主要包括三種方式：地基隔震、基礎(chǔ)隔震以及上部結(jié)構(gòu)的隔震。其最關(guān)鍵的是我們設(shè)計的減隔震裝置能夠在地震中充分發(fā)揮其作用。但是，由于各種條件比較復雜，所以減隔震裝置不是在每種情況條件下都能適用。如場地比較軟弱或延長橋梁結(jié)構(gòu)周期后容易發(fā)生共振等不宜使用減隔震技術(shù)。因此，是否采用減隔震裝置也就在橋梁設(shè)計之前顯得尤為重要了。

經(jīng)多年的研究，只需符合以下任何一條條件，我們就可以考慮適用減隔震技術(shù)：

(1)地震波的角度:適用于能量集中于高頻的波。

(2)結(jié)構(gòu)的角度:橋梁是高度不規(guī)則的。

目前國內(nèi)外普遍使用提供耗能和阻尼的減隔震裝置有：分層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、流體黏滯阻尼器和滑動摩擦型減隔震支座。而對于滑動摩擦型減隔支座，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了六類具有自恢復能力的滑動隔震裝置，其中應用較多的是FPI(Friction Pendulum Isolation)裝置。我國同濟大學與船舶重工集團也聯(lián)合自主開發(fā)了大噸位全鋼雙曲球型減隔震支座，突破了大型橋梁減隔震技術(shù)應用的瓶頸。較好的解決了我國強地震區(qū)大跨度橋梁的防震減災問題。

3.減隔震技術(shù)與延性抗震設(shè)計的比較

從抗震原理上看，兩者是相似的，即通過延長周期或增大阻尼來達到抗震減震的目的。但是，兩種方法在具體的實施上存在這很大的不同。

延性抗震設(shè)計容許很大的地震能量傳遞到結(jié)構(gòu)內(nèi)部中，其主要考慮的是如何提高“承受”地震的能力，結(jié)構(gòu)屬于正面應對地震。而減隔震技術(shù)則是通過考慮設(shè)置減隔震裝置來盡量“避開”地震波傳遞到重要構(gòu)件上，其屬于結(jié)構(gòu)負面應對地震。在延性抗震設(shè)計中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷是不可避免的，震后的修復工作困難。而減隔震技術(shù)可以避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷，震后損傷的裝置易替換。

除了上述兩種抗震設(shè)計以外，現(xiàn)在一種新型結(jié)構(gòu)正逐漸成為國際上的研究熱點-提離式基礎(chǔ)抗震結(jié)構(gòu)。提離式基礎(chǔ)常常有提離式樁基礎(chǔ)和提離式擴大基礎(chǔ)兩種形式，在抗震上有巨大優(yōu)勢。但我國在這方面的研究起步較晚。

二、結(jié)語

通過閱讀這些文獻，讓我對橋梁抗震有了初步認知，我國在這方面與國外還存在很大的差距。但是，我相信，隨著越來越多橋梁人投入的精力越多，一定會促使我國橋梁抗震進入到一個黃金發(fā)展階段。我也相信，通過我國科學家的不斷努力與創(chuàng)新，一定能攻克接下來面對的一個個難關(guān)，最后能讓我國橋梁抗震技術(shù)更上一層樓。