橋梁震害及抗震設(shè)計方法概述

姜全成

(山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東濟(jì)南 250101)

地震、風(fēng)、船舶撞擊等因素都會引起橋梁的振動破壞甚至倒塌。事實證明，世界上由于地震襲擊而毀壞的橋梁數(shù)量，遠(yuǎn)多于風(fēng)振、船撞等其他原因而破壞的橋梁。所以，我們必須高度重視橋梁的震害，并通過抗震設(shè)計的方法減小地震對橋梁的破壞。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計理論是基于強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，而基于性能的抗震理論是橋梁抗震研究發(fā)展的方向。

1 橋梁震害

地震具有突發(fā)性，其持續(xù)時間短而釋放的能量大。1971年美國圣費(fèi)南多地震，1976年中國唐山地震，1989年美國洛馬普里埃塔地震，1994年美國北嶺地震，1995年日本神戶地震，1999年中國臺灣集集地震，1999年土耳其Kocaeri地震，2008年中國汶川地震等對橋梁結(jié)構(gòu)造成了很大破壞。通過對地震后橋梁破壞狀況的大量調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)橋梁震害主要有以下四個方面：(1)橋梁上部結(jié)構(gòu)的震害。這種震害相對少見，主要發(fā)生在地基和施工質(zhì)量較差的情況。(2)支座的震害。支座是橋梁整體抗震中的薄弱環(huán)節(jié)，主要原因是支座設(shè)計沒有充分考慮抗震的要求，構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足，某些支座型式和材料的缺陷等。(3)落梁的震害。落梁大都發(fā)生在順橋向，橫橋向的落梁較少見。主要原因有：橋臺傾斜或倒塌、河岸滑坡、地基下沉、橋墩破壞、支座破壞、梁體碰撞、相鄰墩發(fā)生過大相對位移等。(4)下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的震害。下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是導(dǎo)致橋梁倒塌，并在震后難以修復(fù)使用的主要原因。橋梁墩臺因為沙土液化、地基下沉、岸坡滑移或開裂引起的破壞很難采用加強(qiáng)它們的抗震能力來避免，應(yīng)該在橋址、橋型、結(jié)構(gòu)布置選擇上加以避免。

對于橋梁的震害主要通過三個方面加以防范：(1)規(guī)定橋址與橋型的選擇原則以及處理對策，從宏觀上控制橋梁震害的發(fā)生。(2)通過對橋梁進(jìn)行合理的抗震設(shè)計，增強(qiáng)其抗震能力。(3)提供各種構(gòu)造措施的處理原則與方法加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的抗震能力。

2 橋梁抗震設(shè)計方法

目前，橋梁抗震設(shè)計方法主要有以下三種。

2.1 靜力法

W為結(jié)構(gòu)物各部分重量；

g為標(biāo)準(zhǔn)自由落體加速度；

K為地面運(yùn)動加速度峰值與標(biāo)準(zhǔn)自由落體加速度g的比值。

靜力法的主要缺點是把地震動加速度視為地震破壞的唯一因素，忽略了結(jié)構(gòu)的動力特性。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)物的基本固有周期遠(yuǎn)小于地面運(yùn)動的卓越周期時，結(jié)構(gòu)物在地震振動時才可以被視為剛體，靜力法才能適用，超出這個范圍，就不可能適用[1]。

2.2 動力反應(yīng)譜法

1948年G. W. Houser提出基于反應(yīng)譜理論的抗震計算的動力法。地震振動反應(yīng)譜是指位移反應(yīng)譜、擬速度反應(yīng)譜和擬加速度反應(yīng)譜。應(yīng)用反應(yīng)譜理論計算地震力的公式為：

g為標(biāo)準(zhǔn)自由落體加速度；

W為體系的總重量；

為了考慮結(jié)構(gòu)的延性耗能作用，引入了結(jié)構(gòu)綜合影響系數(shù)Cz，則地震力計算公式變?yōu)椋篜=Cz·kH·β·W

2.3 動力時程法

直接輸入地震加速度時程作為地震荷載，即動力時程法。地震加速度時程可以通過三種方法得到：進(jìn)行地震危險性分析，得到人工地震加速度時程作為地震輸入荷載；利用結(jié)構(gòu)物所在場地附近同類地質(zhì)條件下的地震記錄；利用國際上常用的地震加速度記錄。地震波的輸入形式一般采取同步單點輸入，必要時可以考慮不同步單點輸入，或者同步、不同步多點輸入。每個輸入點的地震加速度時程可以是相同的或不同的[2]。

3 橋梁抗震設(shè)計方法的發(fā)展

早期的結(jié)構(gòu)抗震理論采用的是靜力法，忽略了結(jié)構(gòu)和場地土的動力特性，是一種基于強(qiáng)度控制的一階段抗震設(shè)計方法。后來的反應(yīng)譜理論雖然引入了結(jié)構(gòu)綜合影響數(shù)Cz來考慮結(jié)構(gòu)延性的影響，但從根本上仍然是以強(qiáng)度控制為主。一階段抗震設(shè)計方法的根本缺陷是沒有正確考慮結(jié)構(gòu)延性對抗震的貢獻(xiàn)，給人一種只要增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就能提高結(jié)構(gòu)抗震能力的錯覺。動力時程法使橋梁抗震由單純由強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)為強(qiáng)度和延性共同控制，并且可以考慮非線性、結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土的共同作用等，為二階段結(jié)構(gòu)抗震方法的建立提供了基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)二階段抗震設(shè)計的思想通過三水準(zhǔn)二階段的設(shè)計來具體實施。三水準(zhǔn)是指：小震不壞、中震可修、大震不倒。二階段設(shè)計是指：(1)在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)物保持不壞，或允許輕度破壞，但經(jīng)過簡單維修后即可使用。此時結(jié)構(gòu)處于彈性工作范圍，或少量進(jìn)入塑性狀態(tài)，以強(qiáng)度控制作為破壞準(zhǔn)則。(2)在罕遇地震作用下時，允許結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞，但不能發(fā)生結(jié)構(gòu)倒塌。此時結(jié)構(gòu)處于塑性范圍，以結(jié)構(gòu)的延性作為破壞準(zhǔn)則。

為了實現(xiàn)兩階段的抗震設(shè)計理念，人們提出了基于性能的抗震設(shè)計方法。基于性能的抗震設(shè)計方法可以通過控制結(jié)構(gòu)的位移來實現(xiàn)，這便是直接基于位移的抗震設(shè)計方法(direct displacement — based seismic design method)。直接基于位移的抗震設(shè)計是直接以位移為設(shè)計參數(shù)，針對不同地震設(shè)防水準(zhǔn)，制定相應(yīng)的目標(biāo)位移，并且通過設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)在給定水準(zhǔn)地震作用下達(dá)到預(yù)先指定的目標(biāo)位移，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)地震行為的控制。直接基于位移的抗震設(shè)計理論主要包括三個方面:直接基于位移的抗震設(shè)計方法、位移需求估計方法和目標(biāo)位移的確定[3]。其中位移需求可以通過直接利用彈性位移反應(yīng)譜、等效線性法、能力譜法、非線性地震時程分析法等得到。

4 結(jié)束語

地震對橋梁的危害是巨大的，人類認(rèn)識地震對結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的道路是曲折的。通過結(jié)構(gòu)抗震工程師的不斷努力，找到一種合理的結(jié)構(gòu)抗震理論，提高結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的安全性和經(jīng)濟(jì)性是人們正在不斷追求的目標(biāo)。