基于位移的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

余國平

摘 要：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計影響著橋梁的抗震性能，因此提出基于位移的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。主要從結(jié)構(gòu)橫梁相互的撞擊、底部橫梁架連接器的作用失效、橋墩破壞三個方面分析橋梁結(jié)構(gòu)的震害，確定抗震設(shè)計的最佳需求，并基于位移對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計，盡可能的在設(shè)計上避免因結(jié)構(gòu)部位的缺陷而在震中導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損害，避免橋梁位移產(chǎn)生的不確定的影響，通過實驗結(jié)果表明，采用改進(jìn)設(shè)計可有效提高橋梁的抗震性。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu);抗震性;位移

通過近年來國內(nèi)外地震災(zāi)害的實例，我們可以了解到，要想適應(yīng)新時期社會發(fā)展的要求，人民群眾不光要提高自己的抗震思想，在震中保障生命安全，還需要政府積極采納年輕一代新鮮血液的設(shè)計思路，加快提高橋梁抗震設(shè)計水平，對已有橋梁進(jìn)行高頻次抗震實驗，并進(jìn)行分析與改進(jìn)，對于我國以及周邊在地震帶上的國家來說，有著重大的研究意義。對此，進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計是當(dāng)前工程界研究的重點。本文以某橋梁為研究對象，建立有限元模型，提出基于位移的橋梁抗震設(shè)計方法。

1 橋梁結(jié)構(gòu)主要震害分析

研究橋梁抗震的一個重要內(nèi)容就是了解橋梁結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理及震害形式，從破壞機(jī)理和震害形式出發(fā)，盡可能地多提出新鮮的抗震設(shè)計思路和方法。以地震后的災(zāi)害模式來看，對于地震對橋梁結(jié)構(gòu)的損害，一般有以下三種情況：

1.1 結(jié)構(gòu)梁相互的撞擊

地震使地殼發(fā)生劇烈碰撞，橫波和縱波都會對建筑產(chǎn)生破壞，縱波的產(chǎn)生會導(dǎo)致地面進(jìn)行上下波動，對橋梁上部結(jié)構(gòu)的損壞不是很嚴(yán)重，而往往是因為發(fā)生橫波地震的時候，橋柱橫梁之間進(jìn)行前后移動，連接處產(chǎn)生撞擊，對橫截面產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致梁體之間的撞擊愈發(fā)嚴(yán)重，建筑材料破碎，最終導(dǎo)致主梁破裂并產(chǎn)生坍塌。梁體脫落形式包括順橋向，橫橋向和扭轉(zhuǎn)滑移;梁體相互碰撞則主要發(fā)生在具有伸縮裝置的位置。

1.2 底部橫梁架連接部分的作用失效

在對橋梁抗震設(shè)計的分析中，底部橫梁架是抗震設(shè)計中尤為重要的地方，而橋梁底部有一個抗震性最差的位置為支座連接器，其連接著梁架伸縮縫，對剪力鍵也有著不可忽視的影響。這個對橋梁進(jìn)行部位支撐的連接器一旦產(chǎn)生故障會使整個橋梁的傳遞方式的改變，對橋梁其他部位的抗震能力變差，產(chǎn)生十分危險的影響，加劇地震對橋梁建筑的破壞。在以前的地震中，軸承故障很常見，這主要是由于在設(shè)計中未充分考慮抗震要求，結(jié)構(gòu)措施（例如結(jié)構(gòu)連接和擋塊）不足以及軸承形式和材料的缺陷。地震作用下的軸承失效將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重新分布，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效甚至坍塌。軸承連接器的主要故障形式是軸承固定螺栓的拔出和縮短，活動軸承的脫落以及軸承的結(jié)構(gòu)故障。

1.3 橋墩破壞

彎曲破壞是指橋墩由于過度彎曲變形而失去承載能力的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致混凝土表層剝落，縱向鋼筋屈服，核心混凝土破碎或開裂。彎曲破壞一般都會在橋墩墩底部位或墩頂部位形成塑性鉸，并引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，吸收部分地震能量，具有較好的延性。如果因為橋墩的抗彎承載力超過地震作用下的抗剪承載力，此時橋墩無法承受過大的壓力，致使橋梁柱產(chǎn)生破裂，一旦橋墩截面壓力過高，其抗剪能力迅速下降，就會使得橋墩結(jié)構(gòu)被分裂，最終導(dǎo)致坍塌。塑性材料鉸鏈成形后，由于抗剪強(qiáng)度突然下降而導(dǎo)致的彎曲破壞效果優(yōu)于結(jié)構(gòu)破壞效果。

綜上分析震害現(xiàn)象可知，落梁與碰撞破壞、橋墩破壞、支座等連接構(gòu)件破壞等均會出現(xiàn)位移現(xiàn)象，在對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計過程中，在考慮位移對橋梁結(jié)構(gòu)的影響下進(jìn)行抗震設(shè)計。

2 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

基于位移的橋梁抗震設(shè)計方法直接以結(jié)構(gòu)位移為設(shè)計指標(biāo)。 根據(jù)不同的地震設(shè)防級別，合理地控制結(jié)構(gòu)的整體行為。

2.1 結(jié)構(gòu)損傷分析

在地震作用下，結(jié)構(gòu)的破壞和損傷取決于強(qiáng)度，變形能力和累積能量消耗。破壞指數(shù)可以描述為地震引起的結(jié)構(gòu)破壞。選擇時應(yīng)考慮材料的成分和結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，并一起評估地震的破壞控制效果。對于易于發(fā)生塑性變形的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，使用最廣泛的指數(shù)可以對橋梁位移架構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)性的調(diào)整。此時因結(jié)構(gòu)能耗下降，通過基本變形參數(shù)和疊加能量吸收線性公式，可計算出位移產(chǎn)生的影響：

式中：位移程度的最大值和閾值用、來表示，而、和則分別表示為結(jié)構(gòu)承受強(qiáng)度、可控效應(yīng)值，和抗壓損傷絕對值。

累積損傷僅僅是通過能量項來說明，對指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，接觸彈性變形帶來的干擾，從截面層次計算結(jié)構(gòu)損傷，計算公式為：

式中：代表攔截震波對截面波動的控制的最高曲率，代表預(yù)估截面可承受的極限閾值，和表示截面形狀改變的最高角度和抗壓積累值。

2.2 雙自由度橋梁模型

由于摩擦滑動軸承具有非線性特性，且子結(jié)構(gòu)基本上是彈性的，因此可以利用等效剛度和等效阻尼比對非線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效分析，從而得到結(jié)構(gòu)的替代響應(yīng)。以簡化的方式估計橋的非線性行為，將橋簡化為具有兩個自由度的振動系統(tǒng)，并通過動態(tài)平衡法獲得每個自由度的運(yùn)動方程，并將絕對位移坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相對位移坐標(biāo)，最后計算結(jié)構(gòu)目標(biāo)位移，得出等效阻尼比：

其中，為橋墩阻尼基本參數(shù)比值，為墩柱頂端偏移路線，而底部支座阻尼等效比值和支座偏移角度值用和來表示。

可得出第一階模態(tài)自振頻率和周期參數(shù)，由此可分析各部分等效線性參數(shù)為：

根據(jù)修正對應(yīng)的位移反應(yīng)譜，計算時的結(jié)構(gòu)位移和：

比較和，若誤差大于5%，則需重新迭代計算，若誤差小于5%，計算結(jié)束，則。

2.3 基于位移的抗震設(shè)計

一般來說，鋼筋混凝土橋墩自有的延展性能力由位置參與構(gòu)件位移延展性參數(shù)來表示，其內(nèi)容表示為延展性最高值與位移閾值的比值系數(shù)，該系數(shù)用表示，根據(jù)橋墩底部的橫梁結(jié)構(gòu)，將位移分為屈服位移和極限位移，計算墩身曲面率與沿橋墩之間線性比是否為高度線性，假設(shè)已知塑性鉸區(qū)域長度為，在區(qū)域內(nèi)墩底結(jié)構(gòu)墩柱塑性因位移產(chǎn)生轉(zhuǎn)動變形，使區(qū)域曲率等于當(dāng)前墩底截面的最高曲率，通過此時位移閾值可計算出區(qū)域內(nèi)因轉(zhuǎn)動變形產(chǎn)生的位移參數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)動變形達(dá)到橋墩墩頂延展性參數(shù)絕對值并達(dá)到極限區(qū)域時，其表達(dá)方式為：

在橫向地震作用下，如果封頂梁的剛度足夠大，則在多柱墩的頂部和底部可能會出現(xiàn)彎曲的塑料鉸鏈。在此情況下，軸向力動力輸出與塑性鉸機(jī)構(gòu)因雙向運(yùn)動而對雙柱墩產(chǎn)生相對彈性位移，影響動力軸位移能力比值，可計算出雙向柱墩彈塑性的簡化算法。

式中，墩頂用表示，墩底延展性彎矩用表示，經(jīng)計算與兩者實際數(shù)值和參數(shù)相同。

3 實驗驗證

為驗證改進(jìn)設(shè)計的有效性，本文運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立模型，以位移延性能力為對比目標(biāo)進(jìn)行有效性驗證，結(jié)果如圖1所示。

由圖1和圖2的分析可得出，使用本文分析的方法，普通的15 m橋墩，在不同震波產(chǎn)生的撞擊下，橋墩極限延展性與位移程度無論是計算內(nèi)容還是預(yù)估內(nèi)容，所得參數(shù)幾乎相差很小;超出15 m的橋墩，則預(yù)測值與計算結(jié)果隨著橋墩高度的增加而加大。由圖2可知，當(dāng)橋墩高度增大時，極限位移相比預(yù)測值較小，在本文論述中，延展性位移參數(shù)與極限數(shù)值經(jīng)計算所得，與預(yù)測值相比均較小，在橋墩高度增加的情況下，本文論述方法對比較小橋墩，其效果更優(yōu)。

文中不僅分析了震中橋梁位移對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，還提出了如何使橋梁抗震設(shè)計避免因墩柱延展性雙向運(yùn)動產(chǎn)生彈性位移的影響。因此，除15 m墩外的其他墩柱計算結(jié)果均小于預(yù)測結(jié)果。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計存在抗震效果差的問題，提出基于位移的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，在分析位移的基礎(chǔ)上，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計，實驗結(jié)果表明，采用改進(jìn)設(shè)計方法可有效提高橋梁抗震效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]布占宇，葉晗暉，葛勝良，等.直接基于位移的預(yù)制拼裝墩柱抗震設(shè)計[J].中國公路學(xué)報，2018，31（12）：250-257.

[2]劉忠華，李幗昌，楊志堅，等.基于位移的屈曲約束支撐混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法[J].工業(yè)建筑，2017， 47（3）：18-24.

[3]李宇婧，李宏男，李超.基于偏好序的橋梁結(jié)構(gòu)全壽命抗震設(shè)計多目標(biāo)優(yōu)化模型[J].中國公路學(xué)報，2017， 30（12）：187-195.