桥梁抗震设计
2015-05-25
我国是一个多地震国家，地震中，桥梁的破坏将导致交通中断，这不但会影响人们的正常生活和经济运行，造成严重的经济损失，而且将严重影响震后救灾工作，使人员不能安全顺利疏散，并阻碍向灾区紧急输送救援人员和救灾物资，从而加剧地震灾害。为了保障公路桥梁设施的完好，就需要在桥梁设计中对桥梁抗震设计有充分的重视。
1 桥梁抗震分析方法
人类对地震的研究也不断地获得进步，特别是近半个多世纪以来，人们对地震的破坏机理已有了深入的认识，并发展了各种抗震分析方法。桥梁结构地震响应分析方法可以分为确定性方法和概率性方法两大类。确定性方法是以确定性的荷载作用于结构，求解该确定性荷载作用下结构动力反应的方法。概率性方法将地震作用视为随机过程，以此随机地震作用于结构，求出结构动力响应统计量。
1.1 确定性抗震分析方法
1.1.1 静力分析法
静力分析是国际上最早形成的抗震分析理论。20 世纪初，日本学者提出水平最大加速度是造成地震破坏的重要因素，并提出按等效静力分析求地震效应的方法。将结构看作刚体，不考虑变形对结构的影响，也不考虑地震作用随时间的变化及其与结构动力特性的关系，结构各质点的水平地震作用最大值为该质点与地面运动加速度的乘积。
在20世纪60年代末又提出了非线形静力Pushover分析方法——推倒分析方法，最近几年来，Pushover法得到了较大的发展，并得到了广泛的应用，分析过程一般需要借助计算机程序完成。其基本假定为:（1）多自由度结构体系的响应与一等效单自由度体系相关，即结构响应主要由第一振型控制。（2）结构物沿高度变形的形状向量，在整个地震反应过程中保持不变。Pushover法是通过对结构施加单调递增荷载来进行分析的一种非线性静力分析方法，它研究结构在地震激励下进入塑性倒塌状态时的非线性性能。该方法通常把相邻伸缩缝之间的结构当作是空间的独立框架考虑，并且假定上部结构在水平面内是相对刚性的。分析的初始阶段是对单独的排架墩在所考虑的方向上（顺桥向或横桥向）进行独立的倒塌分析和整个框架的分析，将桥墩刚度模拟为非线性弹簧，计算出整个框架的初始刚度中心，以及横向刚度、转动刚度和质心处的刚度。在框架质心处，通常是上部结构的质心，施加单调递增的水平力，并且，随着框架非线性发展的程度不断地调整桥墩的刚度和结构刚度，直至结构达到最终极限状态为止。
1.1.2 反应谱法
反应谱分析建立在强震观测基础上，由美国学者M?A?Biot在20世纪40年代提出，到50年代初由Housner实现。将实测地震波代入单自由度动力反应方程，计算出各自最大弹性地震反应，从而得出结构最大地震反应与结构自振周期的关系曲线。由反应谱可计算最大地震作用，再按静力法计算地震反应。反应谱分析虽然考虑了结构的动力特性，但在分析中仍把地震惯性力看作静力，因此只能称为准动力分析。反应谱分析法在地震作用计算方面取得了重大突破，因而在地震工程的发展中具有非常重要的贡献，是目前各国抗震规范中给出的一种主要抗震分析方法。总之，反应谱方法在大跨度桥梁的方案设计阶段，对结构的抗震性能进行粗略的评估还是可行的，但是对于重要结构或大跨度桥梁的地震反应分析则应进行专题研究。
1.1.3 时程分析法
时程分析法是将实际地震动记录或人工生成的地震波作用于结构，直接对结构运动方程进行数值积分而求得结构地震反应的时间历程。只要正确选择地震动主要参数，且所选用的地震波基本符合这些主要参数，时程分析法就可以在一定程度上给出未来地震作用下结构反应。该法对于线性荷载，简谐荷载或用简单解析式表达的荷载激励下线性结构的响应能够得到具有计算机精度的数值。由于地震加速度记录中两个离散时刻之间的加速度值一般假设为线性变化，因此采用精细程积分求解是非常有利的。此方法的主要优点是既可以做线性分析，又可以做弹塑性动态分析，概念明确。其主要缺点是计算结果过渡依赖于所选取的加速度时程曲线，离散性很大。为得到较可靠的计算结果常要计算许多时程样本，并加以统计评论，为此需要进行大量的计算。实际上只对特别重要的大跨度结构才使用该法。
1.2 概论性抗震分析方法
概论性抗震分析方法包括随机振动、虚拟激励法系列。
随机振动法假定地震动在时间和空间上都是随机变化的，采用空间相关函数来描述各点地震动的相关性。此方法是建立在各点地面运动的统计特征基础上，在确定了地震动的自功率谱和互功率谱后，计算出各反应量的统计规律。对于大跨度桥梁结构，在进行抗震分析时应该考虑行波效应、部分相干效应和局部场地效应，传统的抗震方法在分析上遇到了困难，并且计算结果也和实际情况有较大差异。经过几十年来国内外学者的共同努力，随机振动理论取得了丰硕的成果，已成为近代应用力学的一个重要分支。尽管作为其应用核心的线性随机振动基本理论早已成熟，然而这些理论成果在工程领域却远未得到充分应用，其原因是计算的复杂性和效率低下。
2 结构控制技术
结构控制技术是工程抗震研究的热点问题。该技术通过在工程结构的特定部位装设某种装置（如耗能支承等）、或某种子结构（如调频质量TMD等）、或施加外力（外部能量输入），以改变或调整结构特性，确保结构及其附属物的安全。作为目前应用较广泛的一种结构控制技术，减隔震技术利用特制的减震及隔震装置，大量消耗或阻止进入结构体系的能量，达到控制结构内力分布与大小的目的。
减隔震技术主要利用了两个基本规律：1地震动的频率成分很复杂，但地震能量一般集中在一个频率范围内。2结构的阻尼越大，结构的地震反应越小。
目前常用的几种减隔震装置有分层橡胶支座、铅芯橡胶支座、滑动摩擦型减隔震支座、高阻尼橡胶支座、钢阻尼器和油阻尼器。一个完善的桥梁减隔震系统应包含柔性支承、阻尼装置和构造措施三部分。常见的柔性支承装置是橡胶支座，它能满足桥梁在正常使用状态下温度等因素产生的位移要求。提供耗能的阻尼装置主要有两种：一种是利用材料塑性变形耗能的滞回阻尼；另一种是利用摩擦方式的摩擦耗能。减隔震装置必须有足够的柔性以延长周期、减小地震反应，但在运营荷载下，又要保证结构不发生大变形和有害振动。通过选择某种特性的弹性支承材料，可以达到上述目的。
