謝楊
河南銳浩建設(shè)工程勘察設(shè)計有限公司 河南南陽 473000
橋梁通常是作為軌道的核心控制項目而建的,一旦損壞或塌陷為軌道的核心節(jié)點,就會直接麻痹線路所在的線路,其重要性不言而喻。如何使橋梁正常履行其工程職能,特別是其承受極端條件的能力,是橋梁設(shè)計者應(yīng)考慮的最重要問題。地震是常見的自然災(zāi)害之一,對工程師來說也是不利條件。地震是突然發(fā)生的,其特征是強大的破壞力和廣泛的破壞面積。沒有目標(biāo)設(shè)計,橋梁將無法承受災(zāi)難的破壞,并可能失去其使用能力[1]。
橋梁結(jié)構(gòu)主要可以分為五大基本類型,及枕式橋梁結(jié)構(gòu)、斜度橋梁結(jié)構(gòu)、弧形橋梁結(jié)構(gòu)、脊背式橋梁結(jié)構(gòu)、擾流橋梁結(jié)構(gòu)。枕式橋梁結(jié)構(gòu)和斜度橋梁結(jié)構(gòu)在外形相類似,在坡度上有所區(qū)別,主要用于大跨度的建筑中,相對于傳統(tǒng)設(shè)施有著更可靠的優(yōu)點。脊背式橋梁結(jié)構(gòu)顧名思義其截斷面類似于書本,整個外觀平整光滑,在出廠時一次壓膜成型,更具有整體性,對于較少震動緩解撞擊更有優(yōu)勢,由于脊背式橋梁結(jié)構(gòu)外形美觀一次成型,在撒氣或撤水的時候會完全扁平,減少了低流干擾,有助于提升抗震設(shè)計水平[2]。
我國目前的橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)量已建成的已有很多,按照我國的橋梁工程的實際情況并在多年的建設(shè)經(jīng)驗總結(jié),已經(jīng)形成了具有中國特色的橋梁結(jié)構(gòu)體系,但是通常都是以小型為主,真正的多跨大型公路橋梁結(jié)構(gòu)還屈指可數(shù),大型多跨橋梁結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中有很多地方可以使用,也是未來橋梁工程抗震設(shè)計的重要發(fā)展趨勢,隨著科技的發(fā)展與技術(shù)的不斷完善,大型多跨橋梁結(jié)構(gòu)的需求量也在不斷增加,由于其跨越度大、跨數(shù)多等特點,導(dǎo)致了在設(shè)計其工程布置形態(tài)、安置位置等方面需要更多的考慮和更多的規(guī)劃考量,這也是我國目前大型多跨式橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重點與難點。
根據(jù)國內(nèi)外對地震災(zāi)害的研究,發(fā)現(xiàn)如果地震地區(qū)的橋梁倒塌,會對救災(zāi)渠道造成巨大阻礙,并且在災(zāi)后還要對其進(jìn)行修復(fù)。研究橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)地震破壞并找出其緣由,可以做出準(zhǔn)確的地震設(shè)計的內(nèi)容和防震的對策。因此,研究橋梁結(jié)構(gòu)在先前的破壞性地震中的生存或破壞可以優(yōu)化橋梁設(shè)計并改善施工方法。典型的橋梁地震破壞包括:①主梁的地震破壞在最初的破壞性地震中,最嚴(yán)重的現(xiàn)象是梁的跌落,并且該梁在橋梁方向上的跌落大于橫向。主梁地震破壞主要是自震破壞、位移破壞、碰撞破壞等。②支撐件的地震破壞,在防震過程中忽視支撐物的重要作用,沒有科學(xué)地設(shè)計連接橋梁,則支撐物容易移動或掉落,并可能引起諸如落梁之類的損壞。③基臺的地震破壞移動基臺位置時,樁基會同時移動、破裂或斷裂。④地基地震破壞,土壤滑移和砂土液化是地基膨脹和樁基地震破壞的主要原因。樁基會導(dǎo)致彎曲和剪切破壞,這主要是由于上部結(jié)構(gòu)和設(shè)計傳遞的慣性力造成的[3]。
混凝土材料的研究是橋梁研究的重要方面,尤其是抗震性。實際上,地震的作用將使橋梁受到強大的外力干擾,位移將超過極限,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。根據(jù)混凝土材料的特性,建立了對應(yīng)于彈性模態(tài)和塑性模態(tài)的兩種構(gòu)造模型進(jìn)行分析。關(guān)于彈性損傷模型,專業(yè)人員通過引用兩個實驗測量的損傷變量建立了彈性損傷模型。也就是說,對于同時具有彈性變形和塑性變形材料的彈性塑性損傷構(gòu)造模型,技術(shù)人員提出了基于連續(xù)損傷的應(yīng)力-應(yīng)變模型,提出了構(gòu)成混凝土的純粹憑經(jīng)驗的非彈性損傷。從理論上講,吳建英等人介紹了損傷能量釋放率的概念。這些模型對于研究塑性破壞階段混凝土材料的破壞行為非常有用,但是并不能消除由于破壞而導(dǎo)致的材料特性變化所引起的誤差[4]。
墩是墩基礎(chǔ)的一部分,在壓力下具有出色的抗壓性,但是當(dāng)受到地震影響時,墩可能會由于剪切力或塑性鉸鏈損壞而偏心,或者削弱了基礎(chǔ)土壤的穩(wěn)定性?;谶@些破壞模式,技術(shù)人員研究了具有低縱向鋼筋比率圓柱的抗震性能,在軸向力和彎曲的相互作用下構(gòu)造了墩的地震模型,并在這種情況下準(zhǔn)確地計算了墩的非線性性能。
橋梁的基于位移的抗震設(shè)計理論以位移為設(shè)計變量,根據(jù)區(qū)域和安全等級確定橋梁只能在特定區(qū)域位移,并根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。相關(guān)技術(shù)人員最初提出了這種設(shè)計方法,后來橋梁工人對其進(jìn)行了一定程度的改進(jìn),并建立了更加科學(xué)合理的理論。在基于性能的橋梁抗震設(shè)計理論中,橋梁必須能夠承受一定程度的地震沖擊,并且不能超過可接受的破壞程度。主要意圖是以最低的成本獲得最佳的抗震效果。根據(jù)橋梁的等級和路線的重要性將其分類為重要性,并據(jù)此確定地震等級[5]。
橋梁的主要減震隔離設(shè)施是減震隔離軸承,其與普通軸承的不同之處在于,具有良好的韌性,可以充分吸收地震力的能量而不會造成損壞,可以作為連續(xù)支撐。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展和對地震破壞的全面理解,橋梁工人開發(fā)了一些性能優(yōu)異、適用范圍廣的地震軸承,可歸納為以下兩類:疊層鋼板橡膠軸承;滑動摩擦式減震軸承。
結(jié)構(gòu)脆性是指零件在外力作用下達(dá)到或超過一定程度破壞的可能性,而本研究的目的是了解某種程度的地震所破壞的某種結(jié)構(gòu)的破壞特征。該結(jié)構(gòu)可以有針對性地得到加強。評估結(jié)構(gòu)漏洞需要進(jìn)行初步調(diào)查,數(shù)據(jù)處理和相互比較,以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。但是,這種分析方法有幾個缺點,例如不能準(zhǔn)確地模擬地震破壞,橋梁性能恢復(fù)不足,無法研究不規(guī)則橋梁以及不考慮支撐物的張力。但是,由于現(xiàn)實的復(fù)雜性,尚未研究如何使用這些結(jié)果來優(yōu)化地震設(shè)計[6]。
公路橋梁結(jié)構(gòu)的地震系統(tǒng)必須具有清晰可靠的位移約束力,傳遞路徑和能有效控制位移,防止橫梁掉落并具有回避性能的耗能減震部件。由于某些橋梁部件(例如支撐和砌塊)的塌陷,具有塌陷結(jié)構(gòu)的能力。
通過對結(jié)構(gòu)破壞的觀察,提出了延性抗震的概念。在實際的地震破壞中,已經(jīng)觀察到缺乏結(jié)構(gòu)強度并不一定會對結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞,并且只要結(jié)構(gòu)的初始強度不會因非彈性變形而劣化并且基本上保持初始強度,就不會破壞結(jié)構(gòu)。既有橋梁的彈塑性消能部分可以安裝在墩中,以達(dá)到地震系統(tǒng)的目的,并便于檢查和維修墩的受損部分。典型的連續(xù)梁橋和簡單的支撐梁橋是單柱墩,其消能部分位于墩底,而雙柱墩則是墩頂、墩底和綁梁端。因此,墩柱和系梁被設(shè)計為柔性部件,在彈性內(nèi)而不會損壞部件。通常延性地震系統(tǒng)適用于大比例墩和橋梁的地震設(shè)計。
公路橋梁結(jié)構(gòu)的地震系統(tǒng)將通過設(shè)置地震支撐,防止橋墩結(jié)構(gòu)破壞??梢栽O(shè)計合理的減震和絕緣軸承或耗能設(shè)備參數(shù),以可靠地傳遞橋的上下連接部分,以防止嚴(yán)重?fù)p壞橋梁。
靜態(tài)方法的設(shè)計通常不會考慮橋梁結(jié)構(gòu)自身動力特性的影響,而橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的唯一因素就是地震加速度。在設(shè)計過程中,僅考慮構(gòu)件的結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析,并且將其視為絕對剛性的對象。如果無法將橋梁結(jié)構(gòu)近似為絕對剛體,則靜態(tài)方法不會考慮結(jié)構(gòu)的動力特性。因此,靜態(tài)方法非常有限,但概念簡單明了,適用于整體剛度較高的結(jié)構(gòu)(如重力橋臺和擋土墻結(jié)構(gòu))的地震分析。
反應(yīng)譜法將結(jié)構(gòu)的動態(tài)問題轉(zhuǎn)換為易于理解且易于計算的靜態(tài)問題。響應(yīng)譜法是該規(guī)范的基本地震分析方法,首先仔細(xì)分析橋梁結(jié)構(gòu)本身的動力特性,然后使用譜線曲線記錄不同主要振動模式下強地震的地震響應(yīng)最大值,最后記錄該最大值。在其他主要振動模式下的地震響應(yīng)也需要完成,確定橋梁結(jié)構(gòu)的最大地震響應(yīng)值,而不能獲得根據(jù)地震而變化的地震。
該方法主要將計算機程序、有限元分析和結(jié)構(gòu)地震分析中的計算相結(jié)合。在應(yīng)用時程分析方法時,通過有限元軟件將橋梁結(jié)構(gòu)離散化成一個多節(jié)點,多自由度的有限元計算模型,地震加速度的時間和結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)必須通過有限元軟件傳輸計算,還需要進(jìn)一步研究,并且存在復(fù)雜的理論,例如計算量大的特性和塑料鉸鏈。因此,該方法是橋梁長期地震分析地相對重要、復(fù)雜和推薦的方法。
在現(xiàn)有支撐的簡單橋梁結(jié)構(gòu)的情況下,必須對橋面的連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,主梁的位移必須提供足夠的加固寬度以防止梁墜落,并且梁的寬度基臺和支撐的頂部必須適當(dāng)加寬。并增加一個屏障裝置以防止移位。對于帶有橡膠軸承但沒有固定軸承的橋梁跨度,軸承的抗震設(shè)計要求增加防偏角或固定導(dǎo)軌。地震帶中的橋梁結(jié)構(gòu)的跨度和剛度與每個連續(xù)跨度的下墩相同。如果彈簧跨度不均勻且剛度不同,則可能會造成地震損壞。如果每個基臺的高度明顯不同,則可以使用基臺頂部的支撐件和基臺頂部的襯套尺寸來調(diào)整每個基臺的剛度,以便盡可能保持基臺的位移。在地震帶中,橋梁的跨度不能太長,如果跨度較大,則柱會承受太大的軸向力,從而降低墩柱的延性。在高強度地區(qū)設(shè)計橋梁時,應(yīng)縱向安裝某些能量消散裝置,例如使用收縮和隔離軸承,以通過柔性和阻尼連接結(jié)構(gòu)之間的力來分擔(dān)梁、柱和水平橋的荷載。拱橋?qū)χё乃轿灰品浅C舾?,為此,需要動態(tài)支撐弧在地震帶。為了確保在地震期間同時激發(fā)每個支撐,必須將基座放置在整個巖石范圍內(nèi)或相同類型的位置[7]。
為了提高公路橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能,必須做好橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防工作。首先,在橋梁場地的選擇方面,就需要根據(jù)抗震需求科學(xué)選擇場地。比如可以對區(qū)域的地震危險性進(jìn)行分析,盡可能選擇安全的建設(shè)場地,具體應(yīng)該以堅硬的場地為宜,堅硬的場地在發(fā)生地震時可以避免地基失效問題的發(fā)生,這對于降低震害對橋梁結(jié)構(gòu)的影響具有重要的意義。其次,為了保證橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的可靠性,還需要保證整個橋梁體系的完整性和規(guī)則性,這也是一項尤為重要的設(shè)防措施。比如橋梁建設(shè)過程中,其上部結(jié)構(gòu)必須保證連續(xù)性,這對于降低地震時對上部結(jié)構(gòu)造成的影響具有重要的作用,同時還可以更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的空間作用。而就橋梁的規(guī)則性而言,即在橋梁平面或立面以及結(jié)構(gòu)的布置方面,都必須保證幾何尺寸、剛度、對稱、均勻地規(guī)則性,這樣可以避免突然震動變化對橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響。最后,在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防方面,還需要加強提高結(jié)構(gòu)強度和延性,以此來起到抗震設(shè)防的作用。比如可以利用橋墩自身加強的延性和強度,將地震力通過限度內(nèi)的塑性變形漸漸分散,以此來實現(xiàn)對震害的有效耗散。強度與延性是決定橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的重要參數(shù),所以在抗震設(shè)防中必須提高重視。
對于橋梁工程來說,采取有效的措施來提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能意義重大。作為相關(guān)的設(shè)計人員,需要對橋梁工程的結(jié)構(gòu)特點有非常清晰地了解,并且在設(shè)計之前需要充分做好橋梁工程的地質(zhì)勘查,進(jìn)而采取有效的抗震設(shè)計措施來做好橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計工作,確保橋梁結(jié)構(gòu)的抗震等級達(dá)到相應(yīng)的要求和標(biāo)準(zhǔn),降低地震災(zāi)害對橋梁結(jié)構(gòu)所造成的影響,以更好地保障出行人員的安全。