桥梁工程抗震设计的主要内容和方法

桥梁工程抗震设计的主要内容和方法通过本学期所学的土木工程地质，我们初步了解到了桥梁工程。桥梁是交通生命线工程中的重要组成部分，震区桥梁的破坏不仅直接阻碍了及时救灾行 动，使得次生灾害加重，导致生命财产以及间接经济损失巨大， 而且给灾后的恢 复与重建带来困难。在近30年的国内外大地震中，桥梁破坏均十分严重，桥梁 震害及其带来的次生灾害均给桥梁抗震设计以深刻的启示。 在以往地震中城市高 架桥或公路上梁桥的墩柱的屈曲、开裂、混凝土剥落、压溃、剪断、钢筋裸露断 裂等震害，桥梁防震越来越受到各国工程师的重视。所以结合所学现代刚桥等知 识及搜集的资料，本文将大致讲述桥梁工程抗震设计的主要内容和方法。首先我们了解下地震带给桥梁的具体破坏影响， 这样才可以采取相应措施来 防止。桥梁上部结构由于受到墩台、支座等的隔离作用，在地震中直接受惯性力 作用而破坏的实例较少，由于下部结构破坏而导致上部结构破坏则是桥梁结构破 坏的主要形式，下部结构常见的破坏形式有以下几种：1）支承连接部件失败：固定支胭虽度不足、活动支座位移量不够、橡胶支座梁底与支座 底发生滑动，在地震力作用下支座破坏，致使梁体发生位移导致落梁。2般台支承宽度不满足防震要求，防落梁措施设计不合理，在地震力作用下，梁、 墩台间出现较大相对位移，导致落梁现象的发生。3）伸缩缝、挡块强度不足，在地震力作用下伸缩缝碰撞破坏挤压破坏挡块剪切破坏，都 起不到应有作用，导致落梁。接下来将从两个方面讲述抗震设计。抗震设计的主要内容目前桥梁工程的设计主要配合静力设计进行，但贯穿整个桥梁设计的全过 程。与静力设计一样，桥梁工程的抗震设计也是一项综合性的工作。桥梁抗震设 计的任务，是选择合理的结构方式，并为结构提供较强的抗震能力。具体来说， 有以下三个部分：1正确选择能够有效抵抗地震作用的结构形式；2合理的分配结构的刚度，质量和阻尼等动力参数，以便最大限度的利用构件和 材料的承载和变形能力；3正确估计地震可能对结构造成的破坏，以便通过结构、构造和其他抗震措施， 使损失控制在限定的范围内。一、抗震设计流程桥梁工程的设计一般都要包括五个部分，抗震设防标准选定，抗震概念设计， 地震反应分析，抗震性能验算和抗震构造设计。其中地震反应分析和抗震性能验算工作量最多，且最为复杂。如果采用三级 设防的抗震设计思想，上面的两个部分就要做三个循环，即对于每一个设防标准， 进行一次地震反应分析，并进行相应的抗震性能验算，直到结构的抗震性能满足 要求。二、抗震概念设计抗震概念设计是从概念上，特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策； 概念 设计是指根据地震灾害和工程经验等获得的基本设计和设计思想， 正确地解决结 构总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。合理的抗震概念设计，要求设计出来的结构，在强度、刚度和延性等指标上 有最佳的组合，使结构能够经济地实现抗震设防的目标。 该阶段的主要任务使选 择良好的抗震结构体系，主要桥梁结构抗震设计的一般要求进行。对于采用延性 概念设计的桥梁，还包括延性类型选择和塑性耗能机制选择。从抗震的角度来看，理想的桥梁结构体系布置应该是：1）从几何线性看：是直桥，而且各桥墩高度相差不大。2）从结构布局上看：上部结构是连续的，伸缩缝应该尽可能少；桥梁保持小跨径；在多个 桥墩布置弹性支座；各个桥墩的强度刚度在各个方向都相同； 基础 是建造在坚硬的场地上。实际工程中，由于各种限制条件，可能不能全部满足但也应该尽量满足以上原则。三、地震反应分析进行地震反应分析，正确预测地震对桥梁结构的影响是进行桥梁抗震设计的基础。地震反应分析要解决三个关键问题：1）确定合适的地震输入2）建立结构系统的数学模型及振动方程：一般采用有限元方法将结构离散化， 建立桥梁结构力学模型，然后确定各离散单元的力学特性，最终建立相应的地震 振动方程。3）选择合适的方法求解地震振动方程得到地震反应。下面将详细解决这三个问题1地震输入的确定在确定性地震反应分析中，一般采用两种地震动输入，即地震加速度反应谱 和地震动加速度时程。采用反应谱法进行地震反应分析时，一般采用地震加速度反应谱作为地震输 入。反应谱的选取比较简单，一般根据场地条件和设防标准，根据规范选取。如果做过场地地震安全性评价，则可以选取场地的设计反应谱作为输入。采用动态时程法进行地震反应分析时，一般采用地震动加速度时程作为地震 输入。地震动加速度时程的选择主要有三个方法， 即直接利用地震记录、采用人 工地震加速度时程和规范标准化地震加速度时程。选择加速度时程时，必须把握 住三个特征，即加速度峰值的大小，波形和强震持续时间。在选择强震记录时， 除了最大峰值加速度应符合桥梁所在地区的设防要求外，场地条件也应该尽量接 近，也就是该地震波的主要周期应尽量接近于桥址场地附近同类地质条件下的强 震记录，则是最佳选择，应优先采用。在地震反应分析中，地震反应一般分别沿两个最不利方向， 纵桥向和横桥向 输入。而且纵桥向或横桥向地震验算是分别进行的，不考虑正交地震力的合成。关于竖向地震输入，我国铁路工程和公路工程抗震设计规范都规定，只有位于烈 度为9度区的悬臂结构应考虑竖向地震力作用，其地震力系数为水平向的0.5倍。 但需要指出来的是，拱桥对于竖向地震非常敏感，一般都应考虑。地震动的输入方式又可分为同步，不同步多点输入。对于小中桥梁，进行同 步输入。对于桥梁长度很大的桥梁，各支撑点可能位于显著不同的场地土上， 由 此导致各支撑处输入地震动的不同，在地震反应分析中就要考虑多支撑不同激励 简称多点激振。即使场地土情况变化不大，也可能因地震动沿桥纵轴向先后到达 的时间差，引起各支承处输入地震时程的相位差，简称行波效应。2地震振动方程及结构力学模型的建立有总刚度矩阵，总质量矩阵，总阻尼矩阵等方程。此处主要讲结构力学模型的建立。1）动力计算模型的建立采用有限元模型描述桥梁结构的力学特征时， 必须将结构离散化，这包括结 构本身的单元划分，支承连接部分的特殊处理，墩台基地支承的边界处理等。为了真实的模拟结构的力学特征，所建立的计算模型必须如实的反映结构构件的 几何，材料特性，以及各构件的边界连接条件。2）上部结构的计算模型一般来说，桥梁上部结构的设计主要由运营荷载控制。 震害资料也表明，上 部结构自身的震害非常少见。采用能反映上部结构质量分布和刚度特征的简化的 脊梁模型来模拟上部结构的工作特性。桥梁结构的抗震惯性力主要集中在上部结 构，控制下部结构设计的主要是上部结构通过支座传递下来的水平惯性力，而 这一惯性力，主要取决于上部结构的质量、下部结构的刚度、以及支座连接条 件。因此，在桥梁抗震设计中，桥梁上部结构的刚度模拟不必太精细，在许多情 况下甚至可以假设为刚体，但上部结构的质量必须尽可能正确模拟。3）墩柱的计算模型在地震反应分析中，墩柱是关键的结构构件。上部结构的重力和地震惯性力 通过墩柱传递给基础，而地震动输入又通过墩柱传递给上部结构。 另一方面，目 前普遍接受的抗震设计思想一般要求墩柱具备一定的非弹性变形及耗能能力。因此，正确建立墩柱的计算模型，即正常模拟墩柱的刚度和质量分布非常重要。桥梁墩柱一般采用单元模拟，但单元的划分要恰当。因为单元的划分决定了 堆聚质量的分布，从而决定了振型的形状和地震惯性力的分布。对于一般的混凝 土桥梁，上部结构的惯性力贡献对墩柱的地震反应起控制作用， 墩柱自身的贡献很小。这时，墩柱的单元划分可以适当粗糙。反之，如果是重力式桥墩，或者高墩，桥墩的自身贡献则比较大，此时，墩柱的单元划分就不能太粗糙。四、抗震验算桥梁结构地震反应分析的最终目的是正确地估计地震可能对结构造成的破坏，以便通过结构构造以及其他抗震措施，使损失控制在限定的范围内。因此， 恰当而有效抗震能力验算是桥梁结构抗震设计的一个重要组成部分。桥梁工程的大部分质量都集中在上部结构，因而，地震惯性力也主要集中在 上部结构。上部结构的地震惯性力一般通过支座传递给墩柱， 再由墩柱传递给基 础，进而传递给地基承受。一般来说，上部结构的设计主要由恒载，活载，温度荷载等控制。而墩柱在 地震作用下将会受到较大剪力和弯矩作用，一般由地震反应控制设计。因此，墩 柱，以及保持上、下部连接可靠的支座等连接构件， 是桥梁抗震验算的主要部分。大量震害资料表明：桥梁震害主要产生在下部结构，即使是上部结构破坏的 境况，也往往是由于下部结构的破坏或大变形造成的。桥梁结构中普遍采用的钢筋混凝土墩柱，具破坏形式主要有剪切破坏和弯曲 破坏。比较高柔的桥墩，多为弯曲型破坏；而矮粗的桥墩多为剪切破坏；介于两 者之间的，为混合型；桥梁支座的震害也极为普遍，破坏形式主要是活动支座脱落，以及支座本身 构造上的破坏等。因此，在桥梁结构的抗震验算中，不仅要验算墩柱的抗弯能力和抗剪能力， 还要验算支座等连接构件能否有效工作1结构破坏准则迄今为止，前人已经提出了许多结构地震破坏准则，主要有强度破坏准则，变形破坏准则，能量破坏准则，变形和能量双重破坏准则，以及基于性能的破坏 准则。目前较为实用的是强度破坏准则和延性破坏准则。2钢筋混凝土墩柱的抗弯能力验算钢筋混凝土墩柱的抗弯能力验算包括抗弯强度验算和延性能力验算。抗弯强度验算采用强度破坏准则进行，要求地震作用下墩柱的最大弯矩小于墩柱的抗弯 强度。我国现行的公路工程抗震设计规范规定，强度验算按现行公路桥涵设 计规范进行。如果允许墩柱出现非弹性变形，则采用延性破坏准则验算墩柱的延性能力。根据延性破坏准则，结构是否被破坏取决于塑性变形的大小。钢筋混凝土墩柱的抗剪强度采用强度破坏准则进行验算，即要求地震引起的墩柱最大剪力小于墩柱的抗剪强度。五、抗震构造设计桥梁结构的抗震构造设计一般包括两个方面，即墩与梁的连接构造设计和墩 柱的结构设计。在历次破坏性地震中，由于链接构造的设计缺陷引起的落梁震害及其常见。在实际抗震设计中，世界各国普遍采用构造措施防止落梁震害，包括两个方面：1、限制支承连接部位的支承面最小宽度；2在相邻梁之间安装纵向约束装置。需要指出的是，斜梁与曲线梁桥的梁端较易发生落梁， 需要特别重视在梁端 至墩、台帽或盖梁边缘之间的距离设置。实际设计中应结合具体情况设计接下来将讲述桥梁工抗震设计中常见的几种方法0抗震设计主要方法1反应谱法人类在与地震的斗争中发展了各种抗震分析方法，分为确定性方法和概率性 方法两大类。静力法、反应谱法和时程分析法均属于确定性方法 ，随机振动、虚 拟激励法属于概率性方法。通常所说的结构地震反应分析，就是建立结构地震振 动方程，然后通过求解振动方程得到结构地震反应（位移、内力等）的过程。反应谱的定义在结构抗震理论发展中，静力法、反应谱法和动力时程分析法三个阶段的形 成和发展是人类对自然规律认识的不断深入与完善的过程。反应谱理论考虑了结构物的动力特性，而且简单正确地反映了地震动的特性，因此得到了广泛认可和 应用。广义线性单自由度体系一个场地记录到的地震动与多种因素有关，比如场地条件、震中距和震源深度、震级、震源机制和传播路径等等。由于诸多随机因 素的影响使得由不同记录得到的加速度反应谱具有很大的随机性。各规范反应谱之间存在一些差别，工程抗震设计中采用动力放大系数作为地震荷载的描述 ，其 根据规定的反应谱曲线及体系的自振周期确定。在桥梁抗震设计规范中还引入了 综合影响系数以考虑结构的延性耗能作用。对于多质点体系可利用振型分解成一 系列相互独立的振动从而可以利用单质点体系的反应谱理论来计算，最后将各个振型的最大反应按适当的方法相组合（如SRSS、CQG IGQC等）即得到多质 点体系的各项反应值12。反应谱方法的优缺点反应谱方法的优点是概念简单、计算方便，可以用较少的计算量获得结构的 最大反应值。反应谱方法的缺点是：（1）地震响应分析时必须重视振型数的取值。由于大跨度桥梁的自振频率在一个相当宽的频带内密布，而地震波一般都是宽带激励，因此在用反应谱方法做大跨度桥梁的分析时，必须选取足够数量的振型。（2）原则上只适用于线性结构体系。结构在强烈地震中一般都要进入非线性状态，弹性反应谱法不能直接使用。（3）地震反应谱失掉相位信息。经叠加得 到的结构反应最大值是一个近似值。2延性抗震设计的基本概念延性的定义和指标延性抗震设计主要是利用结构、构件自身的延性耗能能力来抵抗地震作用，设计时是通过增加结构、构件延性来实现，对结构允许出现塑 性钱的部分进行专门的延性设计。 延性抗震设计的基本思想：结构构件可以发生 塑性变形，可以发生一定的损坏，但结构不倒塌是必须能得到保证的， 结构设计 时，使结构具有一定的滞回特性，这种特性足以抵抗大地震产生的弹塑性变形， 设计预期的大地震发生时，滞回延性要低于地震激起的反复弹塑性变形循环，免于倒塌破坏的结构抗震设防的最低目标必须始终得到保证。在抗震设计时，使结构具有延性特征，首先要确定度量延性量化的设计指标。 通常用位移延性系数和 曲率延性系数作为延性量化设计的指标。位移延性系数定义为构件屈服后的位移 与屈服位移之比。曲率延性系数定义为截面屈服后的曲率与屈服曲率之比。静力延性指标与动力延性指标地震动的随机性使钢筋混凝土的动力延性指标，在实际中无法准确表示，结构在遭遇设计预期的大地震时， 地震动作用使结 构经历的反复变形循环情况无法事先预知， 所以，结构构件的动力延性指标在地 震动作用下也就无法确定。由于无法准确确定大地震时结构结构的动力延性指 标，在设计时通常采用静力延性指标来代替， 也可以采用周期反复荷载试验验证 静力延性指标。当用静力延性指标代替动力延性指标时，在周期反复荷载作用下， 由于结构构件存在低周疲劳现象，结构构件的延性在地震动作用下往往会过高地 估计。3桥梁减隔震技术减隔震技术的概念和发展减震是人为在结构的某些部位设置阻尼器或耗能构件，改变结构的动力性能 耗散结构吸收的地震能量，从而降低结构的地震反应。隔震则是指通过延长结构 的自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输入，以此降低结构地震反应。对桥梁结构采用隔震技术的思想产生由来已久，减隔震技术自诞生以来，受到了广泛 的重视。第一座采用减隔震技术的桥梁是新西兰的Motu桥，建于1973年,上部结构采用滑动支承隔震，阻尼由U形钢弯曲梁提供。该桥建成后，减隔震技术在桥梁 抗震中得到了迅速推广。美国第一次将减隔震技术用于桥梁是在 1984年,用于对 Sierra Point Bridge 进行抗震加固。1990年，美国新建了第一座采用减隔震技术 的桥梁Sexton桥。在日本，第一座建成的减隔震桥梁是静岗县横跨 Keta河的宫 川大桥，完成于1990年,是一座3跨连续钢桁架梁桥，采用铅芯橡胶支座作为减震 构件。常用减隔震装置1）分层橡胶支座。分层橡胶支座，国内常称为板式橡胶支座。其基本构造由薄橡胶片与薄钢板相互交替结合而成，支座平面形状多采用圆形或矩形。在抗震 设计中主要考虑分层橡胶支座的水平刚度和阻尼作用等因素。橡胶支座的水平剪 切刚度，指上、下板面产生单位位移时所需施加的水平剪力。橡胶支座通过在变 形过程中消耗能量提供阻尼，这种阻尼主要取决于橡胶层变形的速度。以天然橡 胶为主要材料制作的支座，典型的阻尼比为5 %10 %。分层橡胶支座的力一位移 滞回曲线呈狭长形，所提供的阻尼较小，因而在减隔震桥梁设计中，常与阻尼器一 起使用。2）铅芯橡胶支座。铅芯橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上，在支座的中部 或中心周围部位竖直地压入高纯度铅芯以改善支座阻尼性能的一种减震支座。铅芯具有良好的力学特性，具有较低的屈服剪力（约10 MPa）具有足够高的初始剪切 刚度（约130 MPa）具有理想弹塑性性能且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能,能够提供地震下的耗能能力和静力荷载下所必需的刚度。因此，由铅芯和分层橡胶支座结合的铅芯橡胶支座能够满足一个良好减隔震装置所应具备的要求：在较低水平力作用下，具有较高的初始刚度，变形很小;在地震彳用下，铅芯屈服，刚度降 低，延长了结构周期，并消耗地震能量。3）滑动摩擦型减隔震支座。滑动摩擦型支座利用不锈钢与聚四氟乙烯材料 之间相当低的滑动摩擦系数制成。也称为聚四氟乙烯滑板支座。这种支座具有摩 擦系数小水平伸缩位移大的优点作为桥梁活动支座十分适宜。在地震作用下，滑 动摩擦型支座允许上部结构在摩擦面上发生滑动，从而将上部结构能够传递到下 部结构的最大地震力限制为支座的最大摩擦，同时通过摩擦消耗大量的地震能量。这类支座的缺点是没有自复位能力，用作隔震支座时，支座响应的可预测性和 可靠性都不尽如人意所以常与阻尼器和橡胶支座等其他装置一起使用4）钢阻尼器。钢阻尼器利用钢材的塑性变形来耗能。典型的钢阻尼器 :a.有 横向加载臂的均匀弯矩弯曲梁阻尼器 ，加载臂有一倾斜角度;b.锥形悬臂弯曲梁 阻尼器;c.有横向加载臂的扭梁阻尼器。钢阻尼器的优点是制造不需要特殊设备 费用比较合适，坚实耐用 又具有较大的耗能能力。试验研究表明，大多数钢阻尼器 的滞回曲线可用双线性来近似模拟。不同类型钢阻尼器的选择取决于阻尼器放置 的位置、可利用的空间、连接的结构以及力和位移的大小。钢阻尼器通常和橡胶 隔震支座一起使用，如聚四氟乙烯滑板支座与悬臂钢阻尼器就是一种合理组合。4. 3减隔震装置的选择桥梁的减隔震系统应满足如下三个基本功能:1）具备一定的柔度，用来延长结 构周期，降低地震力；2）通过阻尼、耗能装置等对地震力进行耗散，并将支承面处的 相对变形控制在设计允许的范围内；3）具备一定的刚度和屈服力，在正常使用荷 载下结构不发生屈服和有害振动。进行减隔震设计时，应将重点放在提高耗能能 力和分散地震力上，不可过分追求加长周期。而且应选用作用机构简单的减隔震 装置，并在其力学性能明确的范围内使用。另外，减隔震装置不仅要能减震耗能，还 应满足正常运营荷载的承载要求，因此选择减隔震装置时，还应注意以下一些要 求:1）在不同水准地震作用下，减隔震支座都应保持良好的竖向荷载支承能力；2）减隔震装置应具有较高的初始水平刚度，使得桥梁在风荷载、制动力等作用下不 发生过大的变形和有害的振动；3）当温度、徐变等引起上部结构缓慢的伸缩变形 时，减隔震支座产生的抗力应比较低；4）减隔震装置应具有较好的自复位能力，使 震后桥梁上部结构能够基本恢复到原来位置。4反应谱法、延性法、减隔震技术的比较反应谱法使用与中小桥，反应谱理论建立在以下基本假定的基础上：1结构的 地震反应是线弹性的，可以采用叠加原理进行振型组合；2）结构物所有支承处的地 震动完全相同；3）结构物最不利地震反应为其最大地震反应；4）地震动的过程是平 稳随机过程。反应谱法是利用结构的强度来抵抗变形，而延性抗震是在结构上设 置可有较大变形的结构，让其变形来吸收地震能量。减隔震则是主动的去减弱、 化解地震作用力。最后给出几条关于抗震设计的建议：1 .由于地震的不确定性，导致桥梁结构抗震计算的失真。地震运动是由震源一传 播介质体一场地地质体一系列变化的因素综合形成， 它是极为复杂的和不确定的 模糊事件。桥梁结构的抗震计算严格来说是近似仿真计算， 与实际的震害有一定 的差距。抗震计算与抗震概念设计、结构体系的选择、抗震构造设计相比较，后 三者更显重要2 .重视桥墩及其基础的延性设计3 .重视桥梁的减隔震设计，采用新技术新材料实现桥梁的抗震设计，比如减隔震 支座：双曲面（球面）支座，铅芯橡胶支座，阻尼器等。最后，个人认为桥梁抗震设计是一项系统工程，体现在设计的各个阶段，需 要认真对待。在工可研究阶段应该强化抗震概念设计，选择合理的桥位和桥型； 在初步设计阶段强化抗震体系设计，确定合适的抗震设防标准和验算准则、进行 结构的总体分析；在施工图设计阶段强化抗震构造设计，重视抗震构造采取的措 施和构造细节。