桥梁抗震设计探究
2015-04-03
大家都知道，强震灾害一旦发生，它的毁灭性与突发性，一般是很难预测的。地震是一种突发式的强震动，一般是从开始到结束会有几秒到几十秒，有的甚至可以持续1分多钟。地震通过地震波释放巨大的能量，因此发生地震时会对桥梁结构产生巨大的破坏。桥梁作为重要的社会基础设施，具有投资大、公共性强、维护管理困难的特点。桥梁不仅是国家经济活动中输送人员、物资的大动脉，又是震灾救援和震灾恢复中的咽喉。对于作为生命线工程的桥梁在遭遇地震时能保持或基本保持使用功能极为重要，特别是随着我国交通建设事业的迅速发展，桥梁无论在数量上还是延伸长度上都在快速增长，高速公路、铁路在国民经济和居民日常生活活动中发挥着重要的作用，地震中桥梁设施的损坏、倒塌所带来的影响常常超过了桥梁因改建或维修所需要的巨额财政支出，研究桥梁结构在地震中的反应及破坏模式，提高桥梁的抗震能力是我国公路交通建设中所面临的重大课题。
一、桥梁结构的震害
强震发生时，主要发生的桥梁震害现象有上、下部结构的震害、支座的震害、基础的震害等几类。
1、上部结构的震害
从历次强烈破坏性地震中人们发现．上部结构自身因直接的地震动效应而毁坏的现象极为少见，但因支承连接件失效或下部结构失效等引起的落梁、主粱的移动、扭曲、裂缝等现象，在破坏性地震中常有发生，其中落梁现象最为严重。从粱体下落的形式看，有顺桥向的，也有横桥向的和扭转滑移的。但统计数字表明，顺桥向的落梁约占全部桥梁落梁总数的70％～85％。梁在顺桥向发生坠落时，梁端撞击桥墩侧壁，给下部结构带来很大的破坏，从而有可能造成更大的震害。
2、下部结构的震害
地震动引起的下部结构破坏主要是桥墩的破坏，一般是从接缝处的轻微断裂开始，继而扩展到四周而造成破坏。震害的进一步发展，会导致断裂面上下的墩身移位，最终使断裂面以上的墩身翻落而酿成极大的震害。
3、支座的震害
桥梁支座是桥梁抗震的薄弱部位，震害极为普遍。由于支座的破坏会引起力的传递方式变化，从而对结构其他部位的抗震产生影响，进一步加重震害。破坏形式主要表现为活动支座脱落及支座本身构造上的破坏。
4、基础的震害
地震引起地基的液化，使地基承载力下降，引起基础下沉。基础下沉进一步引起桥梁墩台的沉陷，造成桥梁的震害。这种情况多出现在承载力不很高的砂质粘土、粘土质砂土等地基中。地基的液化使其剪切强度大大降低，会使桥梁基础及桥台沿液化层水平滑移或转动。
二、桥梁结构抗震设计原则
在桥梁抗震计算中，早期结构抗震计算采用的是静力理论。静力法假定整个上部结构随地面做刚体平移运动，则结构各个质点上的水平地震作用最大值即为该点质量与地面运动最大加速度的乘积，然后按静力分析方法求出地震效应。因此．静力法属于一种等效静力分析法。静力法将上部结构看作刚体，未考虑上部结构变形对地震作用的影响，也未考虑地震作用随时间的变化及其与结构动力特性的关系，这使得静力法的结果具有较大的近似性。它以结构强度作为破坏准则，即以结构的荷载效应小于结构的抗力效应时认为安全的，一般称为一阶段抗震设计方法。
随着计算机技术的广泛应用，发展了直接求解结构地震强迫振动方程的研究，建立时程分析法。时程分析法能更真实地反映结构地震响应随时间变化的全过程，并可处理强震下结构的弹塑性变形。因此己成为抗震分析的一种重要方法。但由于时程分析法计算分析量大，因此目前大多数的国家对常用的桥梁结构型式的中小跨桥梁仍采用反应谱理论计算，但对于重要、复杂、大跨的桥梁抗震计算都建议或要求采用时程分析法。由于发展了时程分析方法，使桥梁抗震计算从单一强度保证转入强度、变形(延性)的双重保证，为发展二阶段抗震计算方法提供了分析基础。
由于中、小地震发生的频率高，可能性大，为了不使结构因累积损伤而影响其使用功能，故要求在常发地震处，结构处于弹性范围内工作，以强度破坏作准则。而大地震在结构使用寿命期内发生的概率较小，是一种突发的特殊荷载，要结构弹性地抵抗它，既不经济也不现实，可以允许结构产生塑性变形和有限度的损伤，以结构的延性(常用的定义是结构弹塑性最大变形值与结构屈服极限变形之比)作为破坏准则。目前桥梁抗震设计正向两阶段设计方法的方向转变，小地震采用弹性理论、大地震采用弹塑性理论设计，实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防原则。
三、桥梁抗震设计的相关问题
1、桥梁抗震概念设计
为达到合理的抗震目的，根据以往的工程经验以及地震灾害经验所获得的设计思想及设计原则，合理而有效的解决抗震结构的方案、材料、细部构造等问题即为抗震设计理念。一个抗震结构设计的是否合理，主要看刚度、强度、延性等指标的组合是否合理，如果合理，便是合理的抗震设计。强调抗震的概念设计是为抗震计算创造有利的条件从而准确而真实的反应地震发生的实际情况，并不是重视什么数值计算。因此，当进行抗震概念设计阶段，设计人员应严格执行设计要求选择最优的抗震结构体系。
2、地震响应分析及抗震设计方法的改变
随着科学水平的不断发展，专家学者对结构动力特性以及地震动的理解也越来越全面，所以目前也已经发展出了多种地震响应分析的设计方法以及抗震设计理论。目前抗震设计的理论主要有静力理论、动力理论以及反应谱理论三种。无论是从地震的持续时间、频谱以及振幅地震三要素分析，还是从地震的反应分析方法、设计原则、输入地震动以及结构和构建的动力模型抗震理论的四要素分析，动力理论都是考虑最全面、研究最精细的理论。
3、桥梁结构延性的抗震设计
目前在对桥梁结构的延性进行抗震验算时采用的破坏准则主要有以下几种：变形破坏准则、能量破坏准则，强度破坏准则、用最大变形和滞回耗能来表达的双重指标破坏准则等几种准则。桥梁结构延性的破坏机理可以总结为：当不完全进入塑性形变之前就已经出现了某种程度的塑性变形，这样消耗的能量便成为了有效粘滞阻尼的一部分；当进人完全的塑性形变时，抗震结构产生单方向的塑性漂移并沿其方向发展直至结构倒塌。因此若要保证在塑性形变的阶段结构不被破坏甚至倒塌，首要就要确保结构有足够的耗能能力。
4、多阶段抗震设计方法
随着近些年科学水平的不断提高，抗震设计研究人员对在地震作用下，抗震结构的破坏机理以及构建能力的研究等方面的理解及认识也越来越深，同时在不同概率的地震作用下，结构的预期性能目标也是不同的，因此抗震结构设计的设防水准及设计原则都有了显著的提高。设计方法也从单一设防水准一阶段逐渐改善为多水准多阶段的设计方法。
结束语
现阶段是我国公路建设的高峰期，还有很多高速公路桥粱需要建设。作为设计工作者，需要不断完善自己的设计作品，更好地服务于公路建设，大家共同总结经验。采取有效的措施来进一步提高桥梁结构的抗震能力，进而提高桥梁结构的耐久性，同时在各地因地制宜，采用适合当地标准来进行桥梁设计，相信我国桥梁的抗震性能一定能步入新的台阶。
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