橋梁延性抗震設(shè)計方法研究進展

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

一、引言

我國處在多個地震板塊之間這樣的大背景下，如果發(fā)生地震災(zāi)害，將會給整個橋梁帶來不可估量的破壞。怎樣有效對橋梁進行抗震驗算方面的研究，怎樣設(shè)計出合理的抗震設(shè)計方案且必須使設(shè)計的結(jié)構(gòu)在強度、剛度和延性方面具有最理想的組合，怎樣使整個橋梁結(jié)構(gòu)可以經(jīng)濟地實現(xiàn)抗震設(shè)防目標，都成為了越來越重視的工程問題。其中，對于延性抗震設(shè)計越來越重視，除了使用結(jié)構(gòu)抵抗地震外，在設(shè)計時采用隔震的措施來減小地震在結(jié)構(gòu)上的傳遞也是有效的方式。

二、抗震設(shè)防標準和震害分析

(一)我國抗震設(shè)防標準

由于地震作用的非線性性和地區(qū)的資源利用的有限性，無限制地使用某一種標準下去實現(xiàn)在強震作用下工程結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞是不切合實際的。但對于同一類橋梁結(jié)構(gòu)在同一地區(qū)，由于其政治、經(jīng)濟、戰(zhàn)備意義或者使用功能上的重要性以及震后的影響嚴重程度有所不同，其設(shè)防目標和采用的設(shè)防水準也要求不同。因此，多標準的地震設(shè)防是很有必要的?，F(xiàn)行公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范有 JTG B02—2013《公路工程抗震規(guī)范》和 JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計細則》，城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范是 CJJ166—2011《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》，鐵路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范是 GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》，城市軌道交通抗震設(shè)計規(guī)范是 GB50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》。

(二)橋梁震害現(xiàn)象

相關(guān)研究人員對橋梁震害做了詳細的描述：橋梁的震害主要是由地震動引起的地表損傷和橋梁結(jié)構(gòu)損傷，地震對橋梁的破壞現(xiàn)象，系統(tǒng)的揭示出結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中的缺陷，甚至是最微小的缺陷。

一般而言，地震會引起地表破壞，地表破壞是由地震引起地面開裂、錯層、岸坡滑移和砂土液化引起的。這些將會使橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定程度的傾斜，從而給橋梁整體結(jié)構(gòu)帶來結(jié)構(gòu)損壞。

在陡峭的山地或沙土和軟土岸坡上，由強震引起的崩塌、泥石流會在一定程度上往往會造成橋梁的破壞。在斜坡或古河道中，地震動往往會發(fā)生滑動、開裂和塌陷。

橋梁的震害是由于地震產(chǎn)生的縱波(由震源向四周傳播的壓縮波，縱波引起地面豎向振動；周期較短，振幅較小，波速較快，使地面上的結(jié)構(gòu)上下顛簸)和橫波(由震源向四周傳播的剪切波，橫波引起地面水平方向振動；橫波的周期較長，振幅較大，波速較慢,晚于縱波到達；使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平晃動)使橋梁發(fā)生水平和豎向振動，導致整個全橋體系的各個構(gòu)件在受力性能上發(fā)生變化，嚴重的情況下導致橋梁倒塌。此外，雖然有些橋梁在設(shè)計當中強度和剛度上能夠使橋梁結(jié)構(gòu)滿足整體構(gòu)件不被破壞的基本要求，但是橋梁的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定程度的破壞，這些是由于沒有考慮到橋梁結(jié)構(gòu)延性的影響，在現(xiàn)役橋梁當中整體性相對來說就很差，一旦遭遇到地震，則將會使整個橋梁體系發(fā)生結(jié)構(gòu)位移，從而導致橋梁破壞。

三、橋梁延性抗震設(shè)計

在地震的作用下，會使橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生強迫位移，故而會改變橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣，對于大跨徑橋梁來說，會產(chǎn)生很大的非線性影響，從而使橋梁結(jié)構(gòu)受力不合理，影響整個橋梁的使用壽命。由此可見，對于橋梁延性的研究也是非常重要的，一個延性較好的橋梁，在受到強迫位移的情況下，橋梁可以通過本身的變形來使內(nèi)力重分布，達到一個合理地受力狀態(tài)。

(一)延性抗震設(shè)計方法

延性是位于地震區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)所必須具備的一個重要的特性。對于延性抗震設(shè)計主要基于計算機結(jié)構(gòu)分析軟件當中以非線性動態(tài)為依據(jù)，主要研究橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下，構(gòu)件之間不發(fā)生完全破壞和整體橋梁喪失穩(wěn)定的前提下，主要提升橋梁構(gòu)件的滯回耗能能力、塑性鉸的設(shè)置與極限變形能力。

(二)延性抗震設(shè)計的兩個階段

1.從整體橋梁結(jié)構(gòu)體系出發(fā)，不僅考慮對橋梁的布置形式進行分析，而且在設(shè)計階段要考慮到橋梁塑性鉸最不利的位置，根據(jù)最不利的部位進行結(jié)構(gòu)建模分析，在此基礎(chǔ)上進行配筋設(shè)計。

2.依據(jù)目前結(jié)構(gòu)分析軟件里邊的地震模態(tài)分析，進行地震來臨時橋梁施工狀態(tài)下和成橋狀態(tài)下的模態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上進行橋梁抗震性能的計算與驗算，提升整體橋梁結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。

在整個橋梁設(shè)計當中，根據(jù)可能出現(xiàn)的不同問題，以上兩階段可以反復的論證，以至于滿足最終的橋梁抗震設(shè)計標準。

(三)延性抗震設(shè)計研究進展

延性結(jié)構(gòu)的破壞準則可以歸納為:強度破壞準則、變形破壞準則、能量破壞準則、變形和能量雙重破壞準則以及基于性能的破壞準則。在各國現(xiàn)行的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范中,基本都直接或間接地采用了變形破壞準則,而基于性能的破壞準則是未來的發(fā)展趨勢。即能力設(shè)計，在延性抗震設(shè)計中,為保證結(jié)構(gòu)延性發(fā)展與耗能,必須設(shè)置塑性鉸,使結(jié)構(gòu)形成期望的耗能機構(gòu)。

四、總結(jié)

綜上所述，對橋梁進行延性抗震設(shè)計是至關(guān)重要的一環(huán)，掌握地震對橋梁的破壞狀態(tài)，確保在地震災(zāi)害的影響下，橋梁結(jié)構(gòu)不會受到剪切脆性的影響。在對橋梁結(jié)構(gòu)進行延性抗震設(shè)計的過程中，不僅要考慮橋梁結(jié)構(gòu)的布置形式對延性抗震設(shè)計的效率，而且在對橋梁結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時要具體分析地震模態(tài)對結(jié)構(gòu)的影響。此外，還應(yīng)該注意的是，對于橋梁結(jié)構(gòu)塑性鉸位置，應(yīng)該適當增加配筋密度，這樣不僅能夠有效提升橋梁工程延性，而且還能夠避免橋梁工程受到剪切破壞的影響，提升橋梁工程的安全性和穩(wěn)定性。