隨著我國現(xiàn)在化城市和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,交通線路的重要性越加突出,公路交通是國民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈,同時(shí),也是抗震救災(zāi)生命線工程之一。橋梁工程是公路工程的咽喉要道,在保障公路通暢中起著至關(guān)重要的作用。而一旦地震使交通線路癱瘓,將會(huì)給國家和人民帶來極大的損失和不便。大跨度橋梁是交通運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵樞紐, 對(duì)其進(jìn)行有效的抗震設(shè)計(jì),確保其抗震安全性意義深遠(yuǎn)。
一、大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)發(fā)展
大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的工作,反應(yīng)比較復(fù)雜,相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。目前,國內(nèi)外現(xiàn)有的大多數(shù)橋梁工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范只適用于中等跨徑的橋梁,超過使用范圍的大跨度橋梁則無規(guī)范可循。我國公路大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范仍在初步階段,存在許多需要進(jìn)一步解決的問題。近年來,美國、日本等一些國家的地震工程專家提出了分級(jí)設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)思想,一般可概括為:小震不壞、中震可修、大震不倒。我國《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定地震烈度7度以上地區(qū)的新建橋梁都必須抗震設(shè)防。其中,最主要的建議是要采用兩水平的抗震設(shè)計(jì)方法,即要求結(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)。
二、抗震設(shè)計(jì)
“小震不壞,中震可修,大震不倒”的分類設(shè)防抗震設(shè)計(jì)思想已廣為接受,而能力設(shè)計(jì)思想也越來越廣泛地被國內(nèi)外專家學(xué)者所接受。能力設(shè)計(jì)思想要求在一座橋梁內(nèi)部建立合理的強(qiáng)度級(jí)配,以保證地震破壞只發(fā)生在預(yù)定的部位,而且是可控制的。具體來說,要選擇理想的塑性鉸位置并進(jìn)行仔細(xì)的配筋設(shè)計(jì)以保證其延性抗震能力;而不利的塑性鉸位置或破壞機(jī)制(脆性破壞)則要通過提供足夠的強(qiáng)度加以避免。大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)分兩階段進(jìn)行:1)在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì),選擇一個(gè)較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系;2)在初步或技術(shù)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì),并根據(jù)能力設(shè)計(jì)思想進(jìn)行抗震能力驗(yàn)算,必要時(shí)進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。
1、抗震概念設(shè)計(jì)
對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)來說,“概念設(shè)計(jì)”比“計(jì)算設(shè)計(jì)”更為重要。正是由于地震發(fā)生的不確定性和復(fù)雜性,再加上結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的假定與實(shí)際情況的差異,使“計(jì)算設(shè)計(jì)”很難控制結(jié)構(gòu)的抗震性能,因而不能完全依賴計(jì)算。結(jié)構(gòu)抗震性能的決定因素是良好的“概念設(shè)計(jì)”。因此,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,還應(yīng)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。在抗震概念設(shè)計(jì)時(shí),為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和抗震安全性,要特別重視上、下部結(jié)構(gòu)連接部位的設(shè)計(jì),橋墩形式的選取,過渡孔處連接部位的設(shè)計(jì)以及塑性鉸預(yù)期部位的選擇。通常允許橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下進(jìn)入塑性工作狀態(tài),在預(yù)期的部位形成塑性鉸以耗散能量,但不允許出現(xiàn)脆性破壞,如剪切破壞。為了保證所選擇的結(jié)構(gòu)體系在橋址處的場(chǎng)地條件下確實(shí)是良好的抗震體系,必須進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析(動(dòng)力特性分析和地震反應(yīng)評(píng)估),然后結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位,并
進(jìn)一步分析是否能通過配筋或構(gòu)造設(shè)計(jì)保證這些部位的抗震安全性。最后,根據(jù)分析結(jié)果綜合評(píng)判結(jié)構(gòu)體系抗震性能的優(yōu)劣,決定是否要修改設(shè)計(jì)方案。
2、延性抗震設(shè)計(jì)
橋梁的延性抗震設(shè)計(jì)應(yīng)分兩個(gè)階段進(jìn)行:1)對(duì)于預(yù)期會(huì)出現(xiàn)塑性鉸的部位進(jìn)行仔細(xì)的配筋設(shè)計(jì);2)對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震能力分析驗(yàn)算,確保其抗震安全性。這兩個(gè)階段可以反復(fù),直到通過抗震能力驗(yàn)算,或進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)以提高抗震能力。
3、橋梁減、隔震設(shè)計(jì)
減、隔震技術(shù)是簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的工程抗震手段。減、隔震裝置是通過增大結(jié)構(gòu)主要振型的周期使其落在地震能量較少的范圍內(nèi)或增大結(jié)構(gòu)的能量耗散能力來達(dá)到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和場(chǎng)地地震波的頻率特性,通過選用合適的減隔震裝置、相應(yīng)參數(shù)以及設(shè)置方案,合理分配結(jié)構(gòu)的受力和變形。一方面,應(yīng)將重點(diǎn)放在提高吸收能量能力從而增大阻尼和分散地震力上,不可過分追求加長周期。另一方面,應(yīng)選用作用機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的減、隔震體系, 并在其力學(xué)性能明確的范圍內(nèi)使用。減、隔震設(shè)計(jì)的效果,需
要進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析來驗(yàn)證。
大量研究表明,最適宜進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)的情況主要有:
1)橋梁墩柱較剛性,即自振周期較小;
2)橋梁很不規(guī)則,如墩柱的高度變化較大,有可能導(dǎo)致受力不均勻;
3)預(yù)測(cè)的場(chǎng)地地震運(yùn)動(dòng)的能量主要集中在高頻分量,而低頻分量的能量較少(淺震、近震、巖石地基)。因此,要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和場(chǎng)地震動(dòng)特點(diǎn)決定是否要進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì),以及采取什么減、隔震裝置。
近年來國內(nèi)外學(xué)者提出在橋梁結(jié)構(gòu)中設(shè)置粘滯阻尼器來改善結(jié)構(gòu)的抗震性能,已在多座橋梁中得以應(yīng)用。有研究表明:將隔震支座與粘滯阻尼器組合使用既能減小結(jié)構(gòu)地震力,又能有效地控制梁體位移及墩、梁相對(duì)位移。
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