淺論橋梁抗震設(shè)計(jì)
2015-04-07
二零零八年五月十二日十四時(shí)二十八分——每個(gè)中華兒女都不會(huì)忘記也不應(yīng)該忘記的時(shí)刻,四川汶川、北川發(fā)生里氏8.0級(jí)地震,地震造成69227人遇難,374643人受傷,17923人失蹤。此次地震為新中國(guó)成立以來(lái)國(guó)內(nèi)破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣、總傷亡人數(shù)最多的一次地震,地震帶給人們的思考是深刻的,作為工程技術(shù)人員,如何在工作中保證工程的抗震性能是我們必須面對(duì)和思索的。
一、概念設(shè)計(jì)
地震是由構(gòu)造地面運(yùn)動(dòng)、火山作用、滑坡、巖爆和人工爆破等引起的自然發(fā)生的地面振動(dòng),在鄰近區(qū)域會(huì)引起很強(qiáng)的震害,既而造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。人們對(duì)地震的探索和研究使公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不斷地改進(jìn)和提高。70年代以來(lái),人們?cè)诳偨Y(jié)大地震災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):由于地震動(dòng)的不確定性和復(fù)雜性,再加上結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與實(shí)際情況的差異,使“計(jì)算設(shè)計(jì)”很難有效的控制結(jié)構(gòu)的抗震性能,對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),“概念設(shè)計(jì)”比“計(jì)算設(shè)計(jì)”更為重要。結(jié)構(gòu)抗震性能的決定因素是良好的“概念設(shè)計(jì)”。 在橋梁的方案設(shè)計(jì)階段,不能僅僅根據(jù)功能要求和靜力分析就決定方案的取舍,而要綜合考慮橋梁的抗震性能,盡可能選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系。
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比與總結(jié),如今的橋梁抗震設(shè)計(jì)主要有下面一些理念:
1. 采用了“小震不壞,中震可修,大震不倒”三水準(zhǔn)設(shè)防的抗震理念;
2. 采用了對(duì)應(yīng)于中震和大震的強(qiáng)度和變形的兩階段設(shè)計(jì)方法。第一階段的抗震設(shè)計(jì),采用彈性抗震設(shè)計(jì),即對(duì)應(yīng)E1地震作用的抗震設(shè)計(jì);第二階段的抗震設(shè)計(jì),采用延性抗震設(shè)計(jì)方法,并引入能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則。即對(duì)應(yīng)E2地震作用的抗震設(shè)計(jì),能保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性能力,通過(guò)驗(yàn)算,確保結(jié)構(gòu)的延性能力大于延性需求。
3. 采用兩水平設(shè)防的設(shè)計(jì)方法。兩水平的抗震設(shè)計(jì)方法要求結(jié)構(gòu)在兩個(gè)概率水平的地震作用下分別達(dá)到兩個(gè)不同的性能標(biāo)準(zhǔn)。
4. 提出了能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則。其基本思想是:通過(guò)設(shè)計(jì),要求在一座橋梁的延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件形成強(qiáng)度等級(jí)差異,確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生脆性的破壞模式,確保塑性鉸只在選定的位置如墩柱出現(xiàn),并且不出現(xiàn)剪切破壞等破壞模式。它既保證了結(jié)構(gòu)的延性,同時(shí)最大限度地避免了地震破壞的隨機(jī)性。
5. 提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。性能化設(shè)計(jì)仍然是以現(xiàn)有的抗震科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)條件為前提的,是立足于承載力和變形能力的綜合考慮,可以對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu),也可以對(duì)某些部位或關(guān)鍵構(gòu)件,靈活運(yùn)用各種措施達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)——著重提高抗震安全性或滿足使用功能的專門要求,具有很強(qiáng)的針對(duì)性和靈活性。對(duì)于確有需要在處于發(fā)震斷裂避讓區(qū)域建造的橋梁,可選擇抗震性能化設(shè)計(jì)。
6. 定義了標(biāo)準(zhǔn)橋梁與非標(biāo)準(zhǔn)橋梁。非標(biāo)準(zhǔn)橋梁的特點(diǎn)是具有不規(guī)則的幾何形狀和結(jié)構(gòu)框架(變寬度的、水平彎曲較大的上部結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、剛度或高度不對(duì)稱)及不尋常的地質(zhì)條件(軟土、中高潛在液化和接近地震斷層)。標(biāo)準(zhǔn)橋梁不包括這些特征。
7. 引入了減隔震設(shè)計(jì)。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中,引入隔震技術(shù)的目的就是利用隔震裝置在滿足正常使用的前提下,達(dá)到延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期、消耗地震能量、降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)的目的。但對(duì)基礎(chǔ)土層不穩(wěn)定、易于發(fā)生液化的場(chǎng)地,下部結(jié)構(gòu)剛度小、橋梁結(jié)構(gòu)本身的基本振動(dòng)周期比較長(zhǎng)等情況不宜采用隔震技術(shù)。
8. 給出了特殊橋梁抗震設(shè)計(jì)原則。特殊橋梁的大部分質(zhì)量集中在上部結(jié)構(gòu),因而地震慣性力也主要集中在上部結(jié)構(gòu),采用良好的抗震結(jié)構(gòu)體系能使各部分結(jié)構(gòu)合理地分擔(dān)地震力。斜拉橋在列席較高的地區(qū)優(yōu)先考慮飄浮體系,若梁端位移過(guò)大則采用塔、梁彈性約束或阻尼約束體系;大跨徑拱橋的主拱圈需采用抗扭剛度較大、整體性較好的斷面形式,并加強(qiáng)拱肋之間的橫向聯(lián)系,以提高主拱圏橫向剛度和整體性。
9. 加強(qiáng)和細(xì)化了抗震措施。橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)越強(qiáng)烈,就越容易發(fā)生落梁等嚴(yán)重破壞現(xiàn)象,構(gòu)造措施就越重要,高烈度區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)需特別重視構(gòu)造措施,但構(gòu)造措施的使用不能與定量設(shè)計(jì)結(jié)果相矛盾,不能導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果的失效。
二、橋梁抗震計(jì)算設(shè)計(jì)
橋梁抗震設(shè)計(jì)除了需要遵循以上的概念設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定外還需進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì),抗震計(jì)算必須以地震場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)為依據(jù),可惜由于實(shí)際強(qiáng)震記錄的不足,這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題還未能很好的解決,因此仍然是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算中最為薄弱的環(huán)節(jié)。目前主要根據(jù)橋址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造情況、地震歷史資料、場(chǎng)地情況并參考地面運(yùn)動(dòng)的記錄來(lái)確定地震參數(shù)。
由于地震動(dòng)過(guò)程本身帶有隨機(jī)過(guò)程的性質(zhì),設(shè)計(jì)計(jì)算中所用的地震動(dòng)參數(shù)有具有不確定性,從而發(fā)展了兩種地震力理論,一種是以地震運(yùn)動(dòng)為確定過(guò)程的確定性地震力理論,另一種是以地震運(yùn)動(dòng)為隨機(jī)過(guò)程的概率性地震力理論。目前概率性地震力理論還不成熟,規(guī)范中普遍采用的是確定性地震力理論。
確定性地震力理論方法主要有靜力法、動(dòng)力反應(yīng)譜法和動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法。
1、靜力法
靜力法是假定結(jié)構(gòu)物與地震動(dòng)具有相同的振動(dòng),把結(jié)構(gòu)物在地面運(yùn)動(dòng)加速度作用下產(chǎn)生的慣性視作靜力作用于結(jié)構(gòu)物上做抗震計(jì)算。它的缺點(diǎn)是忽略了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性這一重要因素,只適用于剛度很大的結(jié)構(gòu),如重力式橋臺(tái)等。
2、動(dòng)力反應(yīng)譜法
動(dòng)力反應(yīng)譜法同時(shí)考慮了地面運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響,比靜力法有很大進(jìn)步。
它以不同單自由度體系的周期為坐標(biāo),以不同阻尼比為參數(shù),求出最大相對(duì)位移,最大相對(duì)速度,最大絕對(duì)加速度的譜曲線,分別簡(jiǎn)稱為位移反應(yīng)譜(SD)、速度反應(yīng)譜(PSV)和加速度反應(yīng)譜(PSA),這三條反應(yīng)譜曲線合起來(lái)簡(jiǎn)稱為反應(yīng)譜。
反應(yīng)譜方法巧妙的將動(dòng)力問(wèn)題靜力化,概念簡(jiǎn)單、計(jì)算方便,可以用較少的計(jì)算量獲得結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng),是目前世界各國(guó)規(guī)范都把它作為一種基本的分析手段。
反應(yīng)譜法也存在一些缺陷,如它只是線彈性分析方法,不能考慮各種非線性因素的影響;只能得到最大反應(yīng);存在振型組合問(wèn)題;只重視強(qiáng)度,忽略了延性能力等。
3、動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法
對(duì)重要、復(fù)雜、大跨的橋梁,大多數(shù)國(guó)家的規(guī)范都建議采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法進(jìn)行抗震計(jì)算。
動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法從選定合適的地震動(dòng)輸入出發(fā),采用多節(jié)點(diǎn)多自由度的結(jié)構(gòu)有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型建立地震振動(dòng)方程,然后采用逐步積分法對(duì)方程進(jìn)行求解,計(jì)算地震過(guò)程中每一瞬時(shí)結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度反應(yīng),從而可以分析出結(jié)構(gòu)在地震作用下彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化以及構(gòu)件逐步開(kāi)裂、損壞直到倒塌的全過(guò)程。
動(dòng)態(tài)時(shí)程分析方法可以精確地考慮地基和結(jié)構(gòu)的相互作用、地震時(shí)程相位差及不同地震時(shí)程多分量多點(diǎn)輸入等問(wèn)題,可以同時(shí)保證橋梁的強(qiáng)度、變形,幫助工程師更清楚地震破壞機(jī)理。
在實(shí)際工作中,我們要運(yùn)用橋梁抗震設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想,有效的完成橋梁設(shè)計(jì)工作,做好橋梁抗震設(shè)防,滿足安全可靠、適用耐久、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理與環(huán)境相協(xié)調(diào)的要求,更好的保證人民和國(guó)家的生命財(cái)產(chǎn)安全。
.參考文獻(xiàn)
[1] 《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 004-89)交通運(yùn)輸部1989
[2] 《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008) 交通運(yùn)輸部 2008.8
[3] 《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 166-2011) 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 2011.7
[4]陳惠發(fā), 段煉等橋梁工程抗震設(shè)計(jì),機(jī)械工業(yè)出版社,2008
[5] 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 2010.5
[6] 《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111-2006)中國(guó)計(jì)劃出版社 2006