隨著我國現(xiàn)在化城市和經濟的飛速發(fā)展,交通線路的重要性越加突出,公路交通是國民經濟大動脈,同時,也是抗震救災生命線工程之一。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重要的作用。而一旦地震使交通線路癱瘓,將會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輸?shù)年P鍵樞紐, 對其進行有效的抗震設計,確保其抗震安全性意義深遠。
一、大跨度橋梁抗震設計發(fā)展
大跨度橋梁的抗震設計是一項綜合性的工作,反應比較復雜,相應的抗震設計也比較復雜。目前,國內外現(xiàn)有的大多數(shù)橋梁工程抗震設計規(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計規(guī)范仍在初步階段,存在許多需要進一步解決的問題。近年來,美國、日本等一些國家的地震工程專家提出了分級設防的抗震設計思想,一般可概括為:小震不壞、中震可修、大震不倒。我國《公路工程抗震設計規(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防。其中,最主要的建議是要采用兩水平的抗震設計方法,即要求結構在兩個概率水平的地震作用下,分別達到兩個不同的性能標準。
二、抗震設計
“小震不壞,中震可修,大震不倒”的分類設防抗震設計思想已廣為接受,而能力設計思想也越來越廣泛地被國內外專家學者所接受。能力設計思想要求在一座橋梁內部建立合理的強度級配,以保證地震破壞只發(fā)生在預定的部位,而且是可控制的。具體來說,要選擇理想的塑性鉸位置并進行仔細的配筋設計以保證其延性抗震能力;而不利的塑性鉸位置或破壞機制(脆性破壞)則要通過提供足夠的強度加以避免。大跨度橋梁的抗震設計應分兩階段進行:1)在方案設計階段進行抗震概念設計,選擇一個較理想的抗震結構體系;2)在初步或技術設計階段進行延性抗震設計,并根據(jù)能力設計思想進行抗震能力驗算,必要時進行減、隔震設計提高結構的抗震能力。
1、抗震概念設計
對結構抗震設計來說,“概念設計”比“計算設計”更為重要。正是由于地震發(fā)生的不確定性和復雜性,再加上結構計算模型的假定與實際情況的差異,使“計算設計”很難控制結構的抗震性能,因而不能完全依賴計算。結構抗震性能的決定因素是良好的“概念設計”。因此,在橋梁的方案設計階段,不能僅僅根據(jù)功能要求和靜力分析就決定方案的取舍,還應考慮橋梁的抗震性能,盡可能選擇良好的抗震結構體系。在抗震概念設計時,為了保證橋梁結構的經濟性和抗震安全性,要特別重視上、下部結構連接部位的設計,橋墩形式的選取,過渡孔處連接部位的設計以及塑性鉸預期部位的選擇。通常允許橋梁結構在強震下進入塑性工作狀態(tài),在預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構體系在橋址處的場地條件下確實是良好的抗震體系,必須進行簡單的分析(動力特性分析和地震反應評估),然后結合結構設計分析結構的抗震薄弱部位,并
進一步分析是否能通過配筋或構造設計保證這些部位的抗震安全性。最后,根據(jù)分析結果綜合評判結構體系抗震性能的優(yōu)劣,決定是否要修改設計方案。
2、延性抗震設計
橋梁的延性抗震設計應分兩個階段進行:1)對于預期會出現(xiàn)塑性鉸的部位進行仔細的配筋設計;2)對整個橋梁結構進行抗震能力分析驗算,確保其抗震安全性。這兩個階段可以反復,直到通過抗震能力驗算,或進行減、隔震設計以提高抗震能力。
3、橋梁減、隔震設計
減、隔震技術是簡便、經濟、先進的工程抗震手段。減、隔震裝置是通過增大結構主要振型的周期使其落在地震能量較少的范圍內或增大結構的能量耗散能力來達到減小結構地震反應的目的。在進行抗震設計時,要根據(jù)結構特點和場地地震波的頻率特性,通過選用合適的減隔震裝置、相應參數(shù)以及設置方案,合理分配結構的受力和變形。一方面,應將重點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,應選用作用機構簡單的減、隔震體系, 并在其力學性能明確的范圍內使用。減、隔震設計的效果,需
要進行非線性地震反應分析來驗證。
大量研究表明,最適宜進行減、隔震設計的情況主要有:
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,有可能導致受力不均勻;
3)預測的場地地震運動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)結構特點和場地震動特點決定是否要進行減、隔震設計,以及采取什么減、隔震裝置。
近年來國內外學者提出在橋梁結構中設置粘滯阻尼器來改善結構的抗震性能,已在多座橋梁中得以應用。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構地震力,又能有效地控制梁體位移及墩、梁相對位移。
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