大型橋梁多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

劉小寧

摘 要：目前我國(guó)的橋梁建筑抗自然災(zāi)害等級(jí)在逐漸提升，地震作為我國(guó)部分地區(qū)常見(jiàn)的一種危害性較大的自然災(zāi)害，在給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)?yè)p失的同時(shí)也對(duì)建筑產(chǎn)生了不可逆的破壞。隨著我國(guó)已進(jìn)入交通強(qiáng)國(guó)階段，橋梁的建設(shè)不僅僅為了溝通河道兩岸居民的來(lái)往，更是要作為抗自然災(zāi)害建筑在當(dāng)危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，盡可能保障在橋梁上人民和車輛的安全，多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng)在橋梁施工中也被廣泛應(yīng)用，本文就此展開(kāi)討論，對(duì)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行闡述分析。

關(guān)鍵詞：大型橋梁;多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng);橋梁與隧道工程

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.069

0 引言

歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶在我國(guó)交織，由于我國(guó)國(guó)土長(zhǎng)期受到菲律賓海板塊和印度洋板塊及太平洋板塊的多重?cái)D壓，由于臺(tái)灣、西南部分地區(qū)、華北部分地區(qū)地理位置在地震帶上，一些地區(qū)一年內(nèi)就可能會(huì)發(fā)生十幾次甚至幾十次大小不一的地震，由于橋梁往往是連接川江河流的紐帶，和房屋建筑一樣，橋梁在修建時(shí)也要充分考慮地震所帶來(lái)的不利影響，和排水抗腐蝕等性質(zhì)類似，由于強(qiáng)地震可能會(huì)直接導(dǎo)致橋梁完全垮塌，且我國(guó)的橋梁抗震修建標(biāo)準(zhǔn)也在隨著社會(huì)科技的進(jìn)步而不斷完善中，但仍有大量年久失修的橋梁在地震中毀壞，由此在修建新的大型橋梁時(shí)，建筑者往往通過(guò)多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng)開(kāi)展橋梁的施工，不但可以提升橋梁整體的使用壽命，還可以給修建其他建筑在抗震性上予以啟示。

1 大型橋梁多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng)的研究現(xiàn)狀

中國(guó)在改革開(kāi)放后，幾十年前技術(shù)不發(fā)達(dá)的時(shí)候使用單一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行施工，在當(dāng)時(shí)的施工理念下，修建的大型橋梁一般只可以應(yīng)對(duì)小型地震保證不垮塌，中大型地震發(fā)生后，橋梁在一定程度下被破壞在當(dāng)時(shí)是允許的。在2008年汶川地震發(fā)生后，國(guó)家相關(guān)部門對(duì)之前的橋梁施工抗震細(xì)則進(jìn)行了一次修訂，在技術(shù)要求上比原來(lái)嚴(yán)格了一些，地震的重現(xiàn)期也由原標(biāo)準(zhǔn)的幾百年使用壽命延長(zhǎng)到了幾千年，在提高使用年限的基礎(chǔ)上，對(duì)細(xì)節(jié)問(wèn)題也有了新的要求，督促施工者要重視自然災(zāi)害給橋梁帶來(lái)的損傷。

在當(dāng)前的施工中，一般通過(guò)物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)，以動(dòng)制靜，使用反應(yīng)譜法計(jì)算可以起到一定的避震情況預(yù)估，缺點(diǎn)則是計(jì)算過(guò)程過(guò)于龐雜，冗余性強(qiáng)，但由于計(jì)算存在一定誤差，計(jì)算過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，在當(dāng)前的施工前期計(jì)算過(guò)程中，方法顯得有些過(guò)時(shí)。反應(yīng)譜計(jì)算由于需要用到疊加原理，橋梁也不僅僅局限于線性結(jié)構(gòu)，而是多線組成的立體結(jié)構(gòu)，另外橋梁的各個(gè)支座也未必受到相同的震動(dòng)影響，因此結(jié)論的獲得存在一定的主觀性，后續(xù)又有人提出使用時(shí)程分析法來(lái)對(duì)每一秒橋梁的各個(gè)部位的受損情況進(jìn)行記錄，可以得出橋梁在地震過(guò)程中的受損情況簡(jiǎn)要分析的結(jié)論，也可以使用相關(guān)的運(yùn)動(dòng)法則，通過(guò)建立立體的多維坐標(biāo)系，列出在發(fā)生地震時(shí)，大橋所承受的反應(yīng)動(dòng)力平衡方程的方式進(jìn)行壓力預(yù)估，利用分塊矩陣的方法根據(jù)支座節(jié)點(diǎn)、非支座節(jié)點(diǎn)列出剛度矩陣、阻尼矩陣和質(zhì)量矩陣的函數(shù)，并推導(dǎo)出動(dòng)力位移的大小和擬靜力的變量大小，通過(guò)上述計(jì)算可以得出在受到地震影響時(shí)，對(duì)大橋的損傷程度可以起到一個(gè)預(yù)判的作用。

由于橋梁在修建時(shí)，需要充分考慮橋梁的彈塑性，即在受到地震波沖擊后，橋墩表面是否會(huì)被地震波彈起，彈塑性在一定時(shí)間內(nèi)的高度曲線是一種類似于幾何線性圖形的不規(guī)則弧線，由于這個(gè)過(guò)程中，橋梁還存在一定的彈性阻尼，就好比彈簧在受到外力時(shí)，根據(jù)受力程度的大小彈簧可能會(huì)被彈到不同的高度一樣，橋梁彈起的過(guò)程還需要考慮橋梁的剛度和延展性，在前期圖紙測(cè)繪階段，也是需要注意的細(xì)節(jié)。

目前我國(guó)橋梁施工中，一般是通過(guò)加強(qiáng)柔性的方式來(lái)達(dá)到減震的目的，此期間，結(jié)構(gòu)的自振周期得到了一定延長(zhǎng)，讓地震所產(chǎn)生的動(dòng)力荷載值大幅降低，進(jìn)而讓能量消耗減少，由于整個(gè)過(guò)程可以看作將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜態(tài)勢(shì)能，橋梁結(jié)構(gòu)所承載的動(dòng)力在此時(shí)得到了降低，降低了橋梁的塑性，充分降低了橋梁的受損程度。

2 大型橋梁多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng)的總結(jié)發(fā)展趨勢(shì)

由于大型橋梁主要有以下幾種類型：

一是鐵索橋，鐵索橋一般橫跨于江上，由藤蔓竹索編織而成，在我國(guó)的一些旅游景區(qū)或是交通不便利的地方有修建，一般只能讓人通過(guò)，由于鐵索橋具有一定的柔性，在遇到地震的時(shí)候，會(huì)受到較大的沖擊影響，由于鐵索橋的損毀會(huì)在一定程度上給交通不便地區(qū)的村民出行帶來(lái)困難，同時(shí)部分低素質(zhì)的游客在鐵索橋上大力搖晃繩索也會(huì)讓橋體搖搖欲墜，且由于鐵索橋的修建成本不是很高，且具有一定的危險(xiǎn)性，目前我國(guó)已不再將修建鐵索橋當(dāng)作橋梁建筑的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外也有一些學(xué)者曾對(duì)一處著名的鐵索橋進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng)分析，這些學(xué)者專家普遍發(fā)現(xiàn)，在建立多維空間坐標(biāo)系的環(huán)境下，一致激勵(lì)對(duì)鐵索橋的抗震性是不利的，隨著跨度的不斷加大，與此同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一些沒(méi)有規(guī)律性的差異，相位差容易影響鐵索橋的搖晃程度，同時(shí)擬靜力對(duì)鐵索橋的分量影響不大。

二是常見(jiàn)的大型橋梁，是斜拉橋，比如上海的南浦大橋，作為上海市第二座橫跨黃浦江的大橋，通過(guò)連接浦西陸家浜路和浦東南碼頭來(lái)讓上海市的浦江兩岸居民能夠更快捷出行，此橋使用疊合梁技術(shù)，全長(zhǎng)八千多米，分為主橋、主引橋、分引橋三部分，承受能力為六萬(wàn)噸，塔柱中間處由兩根拱梁緊密連接，由于橋梁的跨度比較大，相位差效應(yīng)會(huì)對(duì)在受地震影響的橋梁而言具有一定的優(yōu)勢(shì)，由于漂浮體系在修建斜拉橋的過(guò)程中被廣泛利用，對(duì)塔吊的底部和讓位移降低到極值有好處，在行波效應(yīng)的作用下，可能會(huì)對(duì)主承載的受力程度加大多倍，因此需要在修建斜拉橋時(shí)，需要注意所產(chǎn)生的行波效應(yīng)而帶來(lái)的不利影響。

三是常見(jiàn)的大型橋梁就是拱橋了，比如趙州橋就屬于上承型拱橋，由于拱橋一般由石質(zhì)雕砌，由于地震一般是突發(fā)事件，即便在地震臺(tái)接收到地震警報(bào)后，往往很多群眾也不能第一時(shí)間做出應(yīng)急反應(yīng)，因此當(dāng)?shù)卣甬a(chǎn)生后，地震波的次生影響可能會(huì)直接摧毀拱橋的建筑結(jié)構(gòu)，一般在修建過(guò)程中由于非一致性的激勵(lì)效果可能會(huì)產(chǎn)生一系列的不良影響，在內(nèi)部往往會(huì)催發(fā)能量的轉(zhuǎn)化，由于地震波是輸入性的，且具有一定的波長(zhǎng)和波形結(jié)構(gòu)，在發(fā)生地震的時(shí)候，相位差會(huì)與地震前相比有明顯的變化值。

根據(jù)對(duì)以上三種橋梁的簡(jiǎn)要分析，得出結(jié)論：大型橋梁具有一定的場(chǎng)地效應(yīng)，由于與大橋的具體參數(shù)密切相關(guān)，比如橋墩的高度可能會(huì)影響橋梁隨著地震而波動(dòng)的頻率。同時(shí)使用多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng)以后，不僅會(huì)改變橋梁的承載結(jié)構(gòu)，抗地震等級(jí)、跨徑布置程度，同時(shí)如果橋梁的整體建筑面積比較大，還需要考慮空間耦合性給橋梁建設(shè)帶來(lái)的影響，一些鋼結(jié)構(gòu)的橋受地震影響的主要因素可能是建筑支座的跨徑和地形，尤其是大橋建立在山區(qū)的時(shí)候，應(yīng)該還需要考慮山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害與地震共同影響下的最佳橋梁結(jié)構(gòu)。

3 大型橋梁多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng)的發(fā)展趨勢(shì)

由于在發(fā)生地震以后，震動(dòng)往往是在某個(gè)震中周圍方圓若干公里內(nèi)的多維度建筑物聯(lián)動(dòng)所影響的，然而在對(duì)橋梁施工建造時(shí)，只會(huì)考慮當(dāng)?shù)卣鸩ú皹蛄簝?nèi)部結(jié)構(gòu)后，橋梁是否會(huì)發(fā)生一系列的波動(dòng)，由于在修建橋梁時(shí)，選用何種混凝土或是何種結(jié)構(gòu)，抑或者，因此需要在日后修建橋梁前，可以通過(guò)預(yù)先做模擬實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)模擬當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)的情景，進(jìn)而可以預(yù)估一些常見(jiàn)問(wèn)題，并將具體細(xì)則制定到對(duì)應(yīng)的施工安全管理文檔中。

目前，由于我國(guó)的建筑風(fēng)格與其他國(guó)家存在一定差異，同時(shí)即便是在國(guó)內(nèi)，不同地區(qū)因?yàn)橛胁煌娘L(fēng)土人情，所在的地理位置受地震的影響程度也各不相同，因此大型橋梁建筑在我國(guó)存在較為明顯的差異性，但是國(guó)內(nèi)目前對(duì)橋梁有關(guān)抗震的相關(guān)研究還處于萌芽期，由于缺少相關(guān)理論性的政策，就會(huì)讓施工效果具有一定的因人而異性。因此在橋梁施工領(lǐng)域，可以由相關(guān)的管理部門牽頭，撰寫出一份具有可持續(xù)發(fā)展性的建筑規(guī)則來(lái)讓后人可以加強(qiáng)對(duì)橋梁抗震的重視程度。

同時(shí)，由于目前通過(guò)反應(yīng)譜計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)的方法仍在廣泛利用，此種計(jì)算方法具有一定的隨機(jī)性和不精確性，因此需要相關(guān)的科研人員研制出一套具有更精確的計(jì)算方法能夠使用機(jī)器學(xué)習(xí)或人工智能的方式進(jìn)行建模的方法，可以在總結(jié)我國(guó)典型建筑物的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦螌?shí)際，開(kāi)展施工前的籌劃工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的古人就對(duì)橋梁深有研究，由于古代也存在地震，地動(dòng)儀的發(fā)明向人們闡釋地震的原理的同時(shí)，作為現(xiàn)代的橋梁從業(yè)人員，則需要根據(jù)當(dāng)今時(shí)代的研究成果和歷次大地震中橋梁的損毀情況進(jìn)行總結(jié)分析，在擁有一系列建筑經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)爭(zhēng)取為了奪取更壯麗的當(dāng)代建筑史詩(shī)級(jí)別作品而不懈奮斗。

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