橋梁工程抗震設(shè)計相關(guān)問題探討

　　摘要：目前橋梁工程抗震的研究問題是當今熱點問題，本文在分析橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的主要形式基礎(chǔ)上，闡述了橋梁抗震設(shè)計原則，最后對于橋梁抗震設(shè)計方法進行分析，重點探討了橋梁抗震概念設(shè)計、橋梁延性抗震設(shè)計、地震響應(yīng)分析及設(shè)計方法的改變以及多階段設(shè)計方法等內(nèi)容。

　　關(guān)鍵詞：橋梁工程，抗震破壞，抗震設(shè)計　　

　　1引言

　　橋梁工程又是交通網(wǎng)絡(luò)中的重中之重，橋梁工程抗震研究的重要性不言而喻�？拐鸶拍钤O(shè)計是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，正確地解決結(jié)構(gòu)總體方案、材料使用和細部構(gòu)造，以達到合理抗震設(shè)計的目的。合理的抗震設(shè)計，要求設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)在強度、剛度和延性等指標上有最佳的組合，使結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)濟地實現(xiàn)抗震設(shè)防的目標。本文主要探討了橋梁工程抗震設(shè)計相關(guān)問題，為今后橋梁設(shè)計起到借鑒作用。

　　2橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的主要形式

　　根據(jù)橋梁過去的地震破壞情況，除了如液化、斷層等凼地基失效引起的破壞以外，混凝上橋梁最常見的破壞形式有以下四種[1]：（1）彎曲破壞。結(jié)構(gòu)在水平地震荷載作用下由于過大的變形導(dǎo)致混凝土保護層脫落、鋼筋壓屈和內(nèi)部混凝土壓碎、崩裂，結(jié)構(gòu)失去承載能力。整個過程可以用以下四個階段來描述：1)當彎矩達到開裂強度時，截面出現(xiàn)水平彎曲裂縫；2)隨著裂縫的發(fā)展和荷載強度的提高，受拉側(cè)的縱筋達到屈服強度；3)隨著變形量的增大，混凝土保護層脫落、塑性鉸范圍擴大；4)鋼筋壓屈(或拉斷)和內(nèi)部混凝土壓碎、崩裂。（2）剪切破壞(彎剪破壞)。在水平地震倚戟作用下，當結(jié)構(gòu)受到的剪切力超過截而剪切強度時發(fā)生剪切破壞，整個破壞過程可以用以下四個階段來描述：1)截血彎矩達到開裂強度時，截面出現(xiàn)水平彎曲裂縫；2)隨著裂縫的發(fā)展和荷載強度的提高，柱內(nèi)出現(xiàn)斜方向的剪切裂縫；3)局部剪切裂縫增大，箍筋屈服導(dǎo)致剪切裂縫進一步增長；4)發(fā)生脆性的剪切破壞。（3）落梁破壞。當梁體的水平位移超過梁端支撐長度時發(fā)生落梁破壞。落梁破壞是由于梁與橋墩(臺)的相對位移過大，支座喪失約束能力后引起的一種破壞形式。發(fā)生在橋墩之間地震相對位移過大、梁的支撐長度不夠、支座破壞、梁間地震碰撞等情況。（4）支座損傷。上部結(jié)構(gòu)的地震慣性力通過支座傳到下部結(jié)構(gòu)，當傳遞荷載超過支座設(shè)計強度時支座發(fā)生損傷、破壞。支座損傷也是引起落梁破壞的主要原因。對于下部結(jié)構(gòu)而言，支座損傷可以避免上部結(jié)構(gòu)的地震荷載傳到橋墩，避免橋梁發(fā)生破壞。

　　3橋梁抗震設(shè)計原則

　　合理的抗震設(shè)計，要求設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)在強度、剛度和延性等指標上有最佳的組合，使結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)濟的實現(xiàn)抗震設(shè)防的目標。要達到這個要求，就需要設(shè)計工程師深入了解對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有重要影響的基本因素，并具有豐富的經(jīng)驗和創(chuàng)造力，而不僅僅是按規(guī)范的規(guī)定執(zhí)行[2]。以下為抗震設(shè)計應(yīng)盡可能遵循的一些基本原則，這些原則基于歷次的橋梁震害教訓(xùn)和當前公認的理論認識。

　�。�1）場地選擇。除了根據(jù)地震危險性分析盡可能選擇比較安全的廠址之外，還要考慮一個地區(qū)內(nèi)的場地選擇。選擇的原則是：避免地震時可能發(fā)生地基失效的松軟場地，選擇堅硬場地。（2）體系的整體性和規(guī)則性。橋梁的整體性要好，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能是連續(xù)的。較好的整體性可防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時被震散掉落，同時它也是結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用的基本條件。無論是在平面還是在立面上，結(jié)構(gòu)的布置都要力求使幾何尺寸、質(zhì)量和剛度均勻、對稱、規(guī)整，避免突然變化。（3）提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強度和延性。橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞源于地震動引起的結(jié)構(gòu)振動，因此抗震設(shè)計要力圖使從地基傳入結(jié)構(gòu)的振動能量為最小，并使結(jié)構(gòu)具有適當?shù)膹姸�、剛度和延性，以防止不能容忍的破壞。在不增加重量、不改變剛度的前提下，提高總體強度和延性是兩個有效的抗震途徑。剛度的選擇有助于控制結(jié)構(gòu)變形；強度與延性則是決定結(jié)構(gòu)抗震能力的兩個重要參數(shù)。由于地震動可造成結(jié)構(gòu)和構(gòu)件周期反復(fù)變形，使其剛度與強度逐漸退化，因此，只重視強度而忽視延性絕對不是良好的抗震設(shè)計。（4）能力設(shè)計原則。能力設(shè)計思想強調(diào)強度安全度差異，即在不同構(gòu)件(延性構(gòu)件和能力保護構(gòu)件-不適宜發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件統(tǒng)稱為能力保護構(gòu)件)和不同破壞模式(延性破壞和脆性破壞模式)之間確立不同的強度安全度。通過強度安全度差異，確保結(jié)構(gòu)在大地震下以延性形式反應(yīng)，不發(fā)生脆性的破壞模式。在我國以前的建筑抗震設(shè)計中，普遍采用“強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計思想。（5）多道抗震防線。應(yīng)盡量使橋梁成為具有多道抵抗地震側(cè)向力的體系，則在強地震動過程中，一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結(jié)構(gòu)，避免倒塌。因此，超靜定結(jié)構(gòu)優(yōu)于同種類型的靜定結(jié)構(gòu)。但相對于建筑結(jié)構(gòu)，橋梁在這方面可利用的余地通常并不大。

　　4橋梁抗震設(shè)計方法相關(guān)問題

　　4.1橋梁抗震概念設(shè)計

　　抗震概念設(shè)計是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，正確地解決結(jié)構(gòu)總體方案、材料使用和細部構(gòu)造，以達到合理抗震設(shè)計的目的。合理抗震設(shè)計，要求設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)，在強度、剛度和延性等指標上有最佳的組合，使結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)濟地實現(xiàn)抗震設(shè)防的目標。應(yīng)當指出，強調(diào)概念設(shè)計重要，并非不重視數(shù)值計算，而是為了給抗震計算創(chuàng)造出有利條件，使計算分析結(jié)果更能反映地震時結(jié)構(gòu)反應(yīng)的實際情況。橋梁抗震概念設(shè)計階段的主要任務(wù)是選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系，主要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一般要求進行。對于采用延性抗震概念設(shè)計的橋梁，還包括延性類型選擇和塑性耗能機制選擇。

　　4.2橋梁延性抗震設(shè)計

　　目前延性抗震驗算所采用的破壞準則主要有：強度破壞準則、變形破壞準則、能量破壞準則、基于低周疲勞特征的破壞準則以及用最大變形和滯回耗能來表達的雙重指標破壞準則等。Housner在對懸臂式單質(zhì)點系統(tǒng)的非線性地震反應(yīng)進行分析后，將其破壞機理總結(jié)為：在形成完全的塑性反應(yīng)之前，出現(xiàn)某種程度的塑性應(yīng)變，由此而消耗的能量自然的構(gòu)成結(jié)構(gòu)等效粘滯阻尼的一部分；當完全進入塑性變形后，產(chǎn)生塑性漂移，并在單方向發(fā)展直到倒塌發(fā)生。他認為塑性反應(yīng)階段，保證結(jié)構(gòu)不破壞的條件是讓其保有足夠的耗能能力。

　　4.3地震響應(yīng)分析及設(shè)計方法的改變

　　隨著人們對地震動和結(jié)構(gòu)動力特性理解的加深，目前已經(jīng)發(fā)展了多種抗震設(shè)計理論和地震響應(yīng)的分析設(shè)計方法。從地震動的振幅、頻譜和持時三要素來看，抗震設(shè)計的靜力理論只考慮了高頻振動振幅的最大值；反應(yīng)譜理論雖考慮了振幅和頻譜，但持時則始終未能得到明確的反映；動力理論不但考慮了地震動的持時，而且還考慮了地震動中反應(yīng)譜不能概括的其他特性。

　　從組成結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論的四個方面內(nèi)容(輸入地震動、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的動力模型，一實用的地震反應(yīng)分析方法，以及設(shè)計原則)來看，靜力理論對四個方面都做了極大的簡化，反應(yīng)譜理論也做了較大的簡化，而動力理論則有比較全面的考慮：動力理論的輸入地震動要求給出符合場地情況的、具有概率含義的加速度時間函數(shù)，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)要求給出三個分量及其空間相關(guān)性；結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的動力模型更為接近實際，包括了非線性特性；地震反應(yīng)分析方法考慮了結(jié)構(gòu)反應(yīng)的全過程，包括變形和能量損耗的積累；設(shè)計原則考慮到多種使用狀態(tài)和安全的概率保證。

　　4.4多階段設(shè)計方法

　　隨著對地震產(chǎn)生機理、地震動特性以及地震作用下各類結(jié)構(gòu)動力特性、破壞機理、構(gòu)件能力研究認識的加深以及對結(jié)構(gòu)在不同發(fā)生概率地震作用下預(yù)期性能目標的不同，促使結(jié)構(gòu)設(shè)計在設(shè)計原則、設(shè)防水準等各個方面進行不斷改進。由原來的單一設(shè)防水準一階段設(shè)計逐漸改進為雙水準或三水準兩階段設(shè)計、三階段設(shè)計，以及多水準設(shè)防、多性能目標準則的基于結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計等。

　　但目前關(guān)于基于性能設(shè)計的含義及設(shè)計方法的具體應(yīng)用還存在許多分歧和難點，要實現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計過程，目前仍需要在以下一些方面進行大量的研究：①不同場地、不同超越概率設(shè)計地震的確定；②性能目標—性能水平的定量描述，大多數(shù)情況下，性能目標的描述是借助于一些定性的術(shù)語給出的，如“倒塌”、“生命安全”、“維持一定的使用功能”、“完全保持正常使用功能”等，但用于工程設(shè)計時，工程人員需要的是可用于設(shè)計的由工程術(shù)語明確表達的性能指標，如強度、變形、延性等，而這兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，目前還沒有得到很好的解決，仍需進行大量的研究；③在設(shè)計和性能校核過程中，涉及需求計算與能力計算的各個方面，目前仍有許多方面值得研究，如不同設(shè)計階段所適宜采用的分析方法和與之相協(xié)調(diào)的分析模型的建立、不同性能水平下結(jié)構(gòu)構(gòu)件、附屬物以及整個結(jié)構(gòu)體系各力學(xué)參數(shù)的定量計算等�！�

　　參考文獻：

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　　[2]王克海,李茜.橋梁抗震的研究進展[J].工程力學(xué),200724(z2)