橋梁抗震設(shè)計(jì)理論分析

岳杰

遼陽市公路規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 遼寧遼陽 111000

地震是一種突發(fā)性的自然災(zāi)害，我國大陸地震頻繁，具有強(qiáng)度大、分布廣特點(diǎn)。地震給人類帶來生命財(cái)產(chǎn)損失巨大，且?guī)斫?jīng)濟(jì)和社會(huì)問題。地震工程學(xué)者認(rèn)識(shí)到地震災(zāi)害的嚴(yán)重性，只有合理的抗震設(shè)計(jì)以及運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)理論，才能保證橋梁結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)達(dá)到預(yù)期的抗震性能[1]。

1 常見橋梁震害

經(jīng)過調(diào)研國內(nèi)外的地震災(zāi)害顯示，當(dāng)震區(qū)橋梁破壞坍塌，不僅影響救災(zāi)通道，而且災(zāi)后需恢復(fù)重建。調(diào)研橋梁結(jié)構(gòu)常見震害和分析產(chǎn)生震害的原因，能指導(dǎo)建立正確的抗震設(shè)計(jì)方法和有效的抗震措施。因此，研究歷次破壞性地震中橋梁結(jié)構(gòu)幸存或者破壞的情況，能優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)和改進(jìn)施工方法。常見橋梁震害如下。①主梁震害在早期的破壞性地震中，最嚴(yán)重的表現(xiàn)形式是落梁現(xiàn)象，順橋向落梁情況大于橫橋向落梁。主梁震害主要是自身震害、位移震害、碰撞震害等。②支座震害支座在抗震設(shè)計(jì)時(shí)容易忽視，如未設(shè)計(jì)合理的擋塊和連梁裝置，容易導(dǎo)致支座發(fā)生位移或者脫落，進(jìn)而發(fā)生落梁等破壞形式。③橋臺(tái)震害橋臺(tái)產(chǎn)生位置偏移，樁基同時(shí)會(huì)偏移或產(chǎn)生裂縫，甚至斷裂。④橋墩震害橋墩在地震作用下受到較大的往返水平力，較為薄弱的截面經(jīng)過反復(fù)的振動(dòng)發(fā)生破壞，破壞形式主要包括墩柱彎曲破壞、剪切破壞、墩柱承臺(tái)震害等。⑤基礎(chǔ)震害土體滑移和砂土液化等地基失效是擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)產(chǎn)生震害的主要原因，樁基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生彎曲和剪切破壞，主要是上部結(jié)構(gòu)傳下來慣性力以及設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。

2 橋梁震害發(fā)生的主要原因

地震的瞬發(fā)性極強(qiáng)，并且伴隨著極大的破壞性，是一種能夠從多維度造成橋梁破壞的自然災(zāi)害。橋梁是一個(gè)有機(jī)統(tǒng)一的整體，各個(gè)部位緊密聯(lián)結(jié)，相互影響。所以，必須從多角度對(duì)橋梁震害產(chǎn)生的原因加以分析。研究表明，產(chǎn)生的主要原因有以下幾點(diǎn)：①橋梁原有的支撐性受到破壞，無法維持良好的穩(wěn)定性，造成橋梁損壞。例如，橋臺(tái)發(fā)生重心偏移，相鄰橋墩發(fā)生錯(cuò)位或斷裂情況等。②地基下沉將會(huì)從底部影響橋梁的穩(wěn)定性，致使整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生下沉或坍塌，因此，地基基礎(chǔ)是完成高質(zhì)量橋梁結(jié)構(gòu)的首要條件，具有重要作用。③地震具有持續(xù)性，能夠不斷對(duì)橋臺(tái)、橋墩等橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互碰撞，發(fā)生不可避免的損害和破壞。④橋梁設(shè)計(jì)的好壞是決定橋梁抗震性能的先決條件，優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及安全有效的減震隔震措施能夠有效預(yù)防減少橋梁地震災(zāi)害。

3 橋梁抗震設(shè)計(jì)理論

3.1 靜力法

靜力法是應(yīng)用較為常見的理論假設(shè)，其假定當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，不對(duì)其他相關(guān)因素進(jìn)行考量，提出橋梁各個(gè)部件之間的振動(dòng)與地震所產(chǎn)生的振動(dòng)完全相同，把橋梁結(jié)構(gòu)視為剛體，將動(dòng)力學(xué)問題轉(zhuǎn)變?yōu)殪o力學(xué)問題。但在實(shí)際情況中，除非橋梁的剛性程度達(dá)到極值，否則，二者的振動(dòng)是不可能完全相同的。因此，這種方法僅適合于剛度值極大的橋梁工程[2]。

3.2 反應(yīng)譜法

反應(yīng)譜法將結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問題轉(zhuǎn)化成通俗易懂的靜力問題，計(jì)算簡(jiǎn)單。反應(yīng)譜法是作為規(guī)范基本的抗震分析法，適用于彈性范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)抗震分析，存在不適用進(jìn)入塑性階段的橋梁，且求得只是結(jié)構(gòu)最大地震響應(yīng)值，不能求出隨地震變化而變化的地震響應(yīng)值。因此，適用于中小跨度橋梁抗震分析。

3.3 動(dòng)力時(shí)程分析法

動(dòng)力時(shí)程分析法隨著計(jì)算機(jī)和動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)廣泛應(yīng)用和發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生。通過建立多自由度多節(jié)點(diǎn)有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ?，輸入地震?dòng)，分析結(jié)構(gòu)在地震作用下地震響應(yīng)和內(nèi)力隨時(shí)間變化。動(dòng)力時(shí)程分析法能考慮結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和土之間的相互作用，精確分析發(fā)生強(qiáng)烈非線性反應(yīng)的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。但存在一些主要問題仍需進(jìn)一步研究，如地震動(dòng)的輸入；結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和土之間相互作用等，具有計(jì)算量大、塑性鉸等理論復(fù)雜等特點(diǎn)。因此，建議在相對(duì)比較重要、復(fù)雜、大跨度的橋梁抗震分析中使用。

4 橋梁設(shè)計(jì)中常用減隔震技術(shù)

4.1 高阻尼支座

對(duì)于高阻尼支座，它可以分成以下兩種，其一，鉛鋅橡膠支座；其二，高阻尼支座。支座是對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的重要構(gòu)件，支座受豎向荷載作用后依然十分堅(jiān)固，并且還有很大的豎向剛度。然而，在水平方向上，往往剛度不足，較為柔軟。受地震荷載作用后，支座能使結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期明顯增大，起到減小地震響應(yīng)的重要作用。與此同時(shí)，因支座中的鉛芯和鋼板或橡膠和鋼板存在相互作用，所以能提供一定阻尼比，使橋梁自身地震響應(yīng)進(jìn)一步減小。但與常用板式支座等對(duì)比，這種支座的高度相對(duì)較大，成本偏高，如果在橋梁工程中大量使用，無疑會(huì)增加建設(shè)成本。

4.2 彈塑性鋼擋塊

通過對(duì)橋梁震害的分析與研究可知，當(dāng)中小跨徑的橋梁使用傳統(tǒng)板式支座時(shí)，因支座和橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生一定相對(duì)位移，所以能起到一定抗震作用，使下部結(jié)構(gòu)所受地震作用減小。然而，在設(shè)計(jì)中應(yīng)高度重視擋塊自身強(qiáng)度，因?yàn)槿绻麖?qiáng)度不足，將在地震作用下極易破壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生落梁。根據(jù)該擋塊的模型可知，對(duì)擋塊和常規(guī)板式支座進(jìn)行連接，可利用結(jié)構(gòu)自身非線性變形作用，使結(jié)構(gòu)的自身周期明顯增大，以此減小地震響應(yīng)。另外，因擋塊的設(shè)計(jì)十分靈活，受較強(qiáng)的地震作用后，對(duì)上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相對(duì)位移進(jìn)行控制，能在發(fā)揮減隔震效果的基礎(chǔ)上，保證墩身延性[3]。

5 結(jié)語

綜上所述，橋梁抗震設(shè)計(jì)的重要性已經(jīng)不言而喻，無需多言，重要的是研究不同減隔震技術(shù)。以上減隔震技術(shù)各具優(yōu)劣，在橋梁抗震設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)有施工條件，選擇適宜的減隔震技術(shù)，并嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范施工，使其發(fā)揮應(yīng)有的作用效果，使橋梁具有良好的抗震能力。