橋梁抗震設計
2015-05-25
我國是一個多地震國家，地震中，橋梁的破壞將導致交通中斷，這不但會影響人們的正常生活和經(jīng)濟運行，造成嚴重的經(jīng)濟損失，而且將嚴重影響震后救災工作，使人員不能安全順利疏散，并阻礙向災區(qū)緊急輸送救援人員和救災物資，從而加劇地震災害。為了保障公路橋梁設施的完好，就需要在橋梁設計中對橋梁抗震設計有充分的重視。
1 橋梁抗震分析方法
人類對地震的研究也不斷地獲得進步，特別是近半個多世紀以來，人們對地震的破壞機理已有了深入的認識，并發(fā)展了各種抗震分析方法。橋梁結構地震響應分析方法可以分為確定性方法和概率性方法兩大類。確定性方法是以確定性的荷載作用于結構，求解該確定性荷載作用下結構動力反應的方法。概率性方法將地震作用視為隨機過程，以此隨機地震作用于結構，求出結構動力響應統(tǒng)計量。
1.1 確定性抗震分析方法
1.1.1 靜力分析法
靜力分析是國際上最早形成的抗震分析理論。20 世紀初，日本學者提出水平最大加速度是造成地震破壞的重要因素，并提出按等效靜力分析求地震效應的方法。將結構看作剛體，不考慮變形對結構的影響，也不考慮地震作用隨時間的變化及其與結構動力特性的關系，結構各質點的水平地震作用最大值為該質點與地面運動加速度的乘積。
在20世紀60年代末又提出了非線形靜力Pushover分析方法——推倒分析方法，最近幾年來，Pushover法得到了較大的發(fā)展，并得到了廣泛的應用，分析過程一般需要借助計算機程序完成。其基本假定為:（1）多自由度結構體系的響應與一等效單自由度體系相關，即結構響應主要由第一振型控制。（2）結構物沿高度變形的形狀向量，在整個地震反應過程中保持不變。Pushover法是通過對結構施加單調遞增荷載來進行分析的一種非線性靜力分析方法，它研究結構在地震激勵下進入塑性倒塌狀態(tài)時的非線性性能。該方法通常把相鄰伸縮縫之間的結構當作是空間的獨立框架考慮，并且假定上部結構在水平面內是相對剛性的。分析的初始階段是對單獨的排架墩在所考慮的方向上（順橋向或橫橋向）進行獨立的倒塌分析和整個框架的分析，將橋墩剛度模擬為非線性彈簧，計算出整個框架的初始剛度中心，以及橫向剛度、轉動剛度和質心處的剛度。在框架質心處，通常是上部結構的質心，施加單調遞增的水平力，并且，隨著框架非線性發(fā)展的程度不斷地調整橋墩的剛度和結構剛度，直至結構達到最終極限狀態(tài)為止。
1.1.2 反應譜法
反應譜分析建立在強震觀測基礎上，由美國學者M?A?Biot在20世紀40年代提出，到50年代初由Housner實現(xiàn)。將實測地震波代入單自由度動力反應方程，計算出各自最大彈性地震反應，從而得出結構最大地震反應與結構自振周期的關系曲線。由反應譜可計算最大地震作用，再按靜力法計算地震反應。反應譜分析雖然考慮了結構的動力特性，但在分析中仍把地震慣性力看作靜力，因此只能稱為準動力分析。反應譜分析法在地震作用計算方面取得了重大突破，因而在地震工程的發(fā)展中具有非常重要的貢獻，是目前各國抗震規(guī)范中給出的一種主要抗震分析方法?？傊?，反應譜方法在大跨度橋梁的方案設計階段，對結構的抗震性能進行粗略的評估還是可行的，但是對于重要結構或大跨度橋梁的地震反應分析則應進行專題研究。
1.1.3 時程分析法
時程分析法是將實際地震動記錄或人工生成的地震波作用于結構，直接對結構運動方程進行數(shù)值積分而求得結構地震反應的時間歷程。只要正確選擇地震動主要參數(shù)，且所選用的地震波基本符合這些主要參數(shù)，時程分析法就可以在一定程度上給出未來地震作用下結構反應。該法對于線性荷載，簡諧荷載或用簡單解析式表達的荷載激勵下線性結構的響應能夠得到具有計算機精度的數(shù)值。由于地震加速度記錄中兩個離散時刻之間的加速度值一般假設為線性變化，因此采用精細程積分求解是非常有利的。此方法的主要優(yōu)點是既可以做線性分析，又可以做彈塑性動態(tài)分析，概念明確。其主要缺點是計算結果過渡依賴于所選取的加速度時程曲線，離散性很大。為得到較可靠的計算結果常要計算許多時程樣本，并加以統(tǒng)計評論，為此需要進行大量的計算。實際上只對特別重要的大跨度結構才使用該法。
1.2 概論性抗震分析方法
概論性抗震分析方法包括隨機振動、虛擬激勵法系列。
隨機振動法假定地震動在時間和空間上都是隨機變化的，采用空間相關函數(shù)來描述各點地震動的相關性。此方法是建立在各點地面運動的統(tǒng)計特征基礎上，在確定了地震動的自功率譜和互功率譜后，計算出各反應量的統(tǒng)計規(guī)律。對于大跨度橋梁結構，在進行抗震分析時應該考慮行波效應、部分相干效應和局部場地效應，傳統(tǒng)的抗震方法在分析上遇到了困難，并且計算結果也和實際情況有較大差異。經(jīng)過幾十年來國內外學者的共同努力，隨機振動理論取得了豐碩的成果，已成為近代應用力學的一個重要分支。盡管作為其應用核心的線性隨機振動基本理論早已成熟，然而這些理論成果在工程領域卻遠未得到充分應用，其原因是計算的復雜性和效率低下。
2 結構控制技術
結構控制技術是工程抗震研究的熱點問題。該技術通過在工程結構的特定部位裝設某種裝置（如耗能支承等）、或某種子結構（如調頻質量TMD等）、或施加外力（外部能量輸入），以改變或調整結構特性，確保結構及其附屬物的安全。作為目前應用較廣泛的一種結構控制技術，減隔震技術利用特制的減震及隔震裝置，大量消耗或阻止進入結構體系的能量，達到控制結構內力分布與大小的目的。
減隔震技術主要利用了兩個基本規(guī)律：1地震動的頻率成分很復雜，但地震能量一般集中在一個頻率范圍內。2結構的阻尼越大，結構的地震反應越小。
目前常用的幾種減隔震裝置有分層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、滑動摩擦型減隔震支座、高阻尼橡膠支座、鋼阻尼器和油阻尼器。一個完善的橋梁減隔震系統(tǒng)應包含柔性支承、阻尼裝置和構造措施三部分。常見的柔性支承裝置是橡膠支座，它能滿足橋梁在正常使用狀態(tài)下溫度等因素產生的位移要求。提供耗能的阻尼裝置主要有兩種：一種是利用材料塑性變形耗能的滯回阻尼；另一種是利用摩擦方式的摩擦耗能。減隔震裝置必須有足夠的柔性以延長周期、減小地震反應，但在運營荷載下，又要保證結構不發(fā)生大變形和有害振動。通過選擇某種特性的彈性支承材料，可以達到上述目的。
