桥梁工程抗震设计的主要内容和方法

...WD......WD......WD...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局部，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。桥梁上部构造由于受到墩台、支座等的隔离作用，在地震中直承受惯性力作用而破坏的实例较少，由于下部构造破坏而导致上部构造破坏则是桥梁构造破坏的主要形式，下部构造常见的破坏形式有以下几种：

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。墩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。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展，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，是选择合理的构造方式，并为构造提供较强的抗震能力。具体来说，有以下三个局部：1正确选择能够有效抵抗地震作用的构造形式；2合理的分配构造的刚度，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构造造成的破坏，以便通过构造丶构造和其他抗震措施，使损失控制在限定的范围内。一丶抗震设计流程桥梁工程的设计一般都要包括五个局部，抗震设防标准选定，抗震概念设计，地震反响分析，抗震性能验算和抗震构造设计。其中地震反响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，上面的两个局部就要做三个循环，即对于每一个设防标准，进展一次地震反响分析，并进展相应的抗震性能验算，直到构造的抗震性能满足要求。二丶抗震概念设计抗震概念设计是从概念上，特别是从构造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历等获得的根本设计和设计思想，正确地解决构造总体方案丶材料使用和细部构造，以到达合理抗震设计的目的。合理的抗震概念设计，要求设计出来的构造，在强度丶刚度和延性等指标上有最正确的组合，使构造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构造体系，主要桥梁构造抗震设计的一般要求进展。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，理想的桥梁构造体系布置应该是：从几何线性看：是直桥，而且各桥墩高度相差不大。从构造布局上看：上部构造是连续的，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一样；根基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。三丶地震反响分析进展地震反响分析，正确预测地震对桥梁构造的影响是进展桥梁抗震设计的根基。地震反响分析要解决三个关键问题：确定适宜的地震输入建设构造系统的数学模型及振动方程：一般采用有限元方法将构造离散化，建设桥梁构造力学模型，然后确定各离散单元的力学特性，最终建设相应的地震振动方程。选择适宜的方法求解地震振动方程得到地震反响。下面将详细解决这三个问题1地震输入确实定在确定性地震反响分析中，一般采用两种地震动输入，即地震加速度反响谱和地震动加速度时程。采用反响谱法进展地震反响分析时，一般采用地震加速度反响谱作为地震输入。反响谱的选取对比简单，一般根据场地条件和设防标准，根据标准选取。如果做过场地地震安全性评价，则可以选取场地的设计反响谱作为输入。采用动态时程法进展地震反响分析时，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丶采用人工地震加速度时程和标准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，则是最正确选择，应优先采用。在地震反响分析中，地震反响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展的，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标准都规定，只有位于烈度为9度区的悬臂构造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，进展同步输入。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，在地震反响分析中就要考虑多支撑不同鼓励简称多点激振。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地震振动方程及构造力学模型的建设有总刚度矩阵，总质量矩阵，总阻尼矩阵等方程。此处主要讲构造力学模型的建设。动力计算模型的建设采用有限元模型描述桥梁构造的力学特征时，必须将构造离散化，这包括构造本身的单元划分，支承连接局部的特殊处理，墩台基地支承的边界处理等。为了真实的模拟构造的力学特征，所建设的计算模型必须如实的反映构造构件的几何，材料特性，以及各构件的边界连接条件。上部构造的计算模型一般来说，桥梁上部构造的设计主要由运营荷载控制。震害资料也说明，上部构造自身的震害非常少见。采用能反映上部构造质量分布和刚度特征的简化的脊梁模型来模拟上部构造的工作特性。桥梁构造的抗震惯性力主要集中在上部构造 ，控制下部构造设计的主要是上部构造通过支座传递下来的水平惯性力，而这一惯性力，主要取决于上部构造的质量丶下部构造的刚度丶以及支座连接条件。因此，在桥梁抗震设计中，桥梁上部构造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，但上部构造的质量必须尽可能正确模拟。 3）墩柱的计算模型在地震反响分析中，墩柱是关键的构造构件。上部构造的重力和地震惯性力通过墩柱传递给根基，而地震动输入又通过墩柱传递给上部构造。另一方面，目前普遍承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，正确建设墩柱的计算模型，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，上部构造的惯性力奉献对墩柱的地震反响起控制作用，墩柱自身的奉献很小。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，桥墩的自身奉献则对比大，此时，墩柱的单元划分就不能太粗糙。四丶抗震验算桥梁构造地震反响分析的最终目的是正确地估计地震可能对构造造成的破坏，以便通过构造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构造抗震设计的一个重要组成局部。桥梁工程的大局部质量都集中在上部构造，因而，地震惯性力也主要集中在上部构造。上部构造的地震惯性力一般通过支座传递给墩柱，再由墩柱传递给根基，进而传递给地基承受。一般来说，上部构造的设计主要由恒载，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，一般由地震反响控制设计。因此，墩柱，以及保持上丶下部连接可靠的支座等连接构件，是桥梁抗震验算的主要局部。大量震害资料说明：桥梁震害主要产生在下部构造，即使是上部构造破坏的境况，也往往是由于下部构造的破坏或大变形造成的。桥梁构造中普遍采用的钢筋混凝土墩柱，其破坏形式主要有剪切破坏和弯曲破坏。对比高柔的桥墩，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，在桥梁构造的抗震验算中，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构造破坏准则迄今为止，前人已经提出了许多构造地震破坏准则，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展，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《公路工程抗震设计标准》规定，强度验算按现行公路桥涵设计标准进展。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，构造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展验算，即要求地震引起的墩柱最大剪力小于墩柱的抗剪强度。五丶抗震构造设计桥梁构造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构造设计。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丶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丶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。抗震设计主要方法1反响谱法人类在与地震的斗争中开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、反响谱法和时程分析法均属于确定性方法,随机振动、虚拟鼓励法属于概率性方法。通常所说的构造地震反响分析,就是建设构造地震振动方程,然后通过求解振动方程得到构造地震反响(位移、内力等)的过程。反响谱的定义在构造抗震理论开展中,静力法、反响谱法和动力时程分析法三个阶段的形成和开展是人类对自然规律认识的不断深入与完善的过程。反响谱理论考虑了构造物的动力特性,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,比方场地条件、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响谱具有很大的随机性。各标准反响谱之间存在一些差异,工程抗震设计中采用动力放大系数作为地震荷载的描述,其根据规定的反响谱曲线及体系的自振周期确定。在桥梁抗震设计标准中还引入了综合影响系数以考虑构造的延性耗能作用。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响谱理论来计算,最后将各个振型的最大反响按适当的方法相组合(如SRSS、CQC、IGQC等)即得到多质点体系的各项反响值[1~2]。反响谱方法的优缺点反响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构造的最大反响值。反响谱方法的缺点是:(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鼓励,因此在用反响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构造体系。构造在强烈地震中一般都要进入非线性状态,弹性反响谱法不能直接使用。(3)地震反响谱失掉相位信息。经叠加得到的构造反响最大值是一个近似值。2延性抗震设计的根本概念延性的定义和指标延性抗震设计主要是利用构造、构件自身的延性耗能能力来抵抗地震作用，设计时是通过增加构造、构件延性来实现，对构造允许出现塑性铰的局部进展专门的延性设计。延性抗震设计的根本思想：构造构件可以发生塑性变形，可以发生一定的损坏，但构造不倒塌是必须能得到保证的，构造设计时，使构造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，免于倒塌破坏的构造抗震设防的最低目标必须始终得到保证。在抗震设计时，使构造具有延性特征，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，构造在遭遇设计预期的大地震时，地震动作用使构造经历的反复变形循环情况无法事先预知，所以，构造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构造构造的动力延性指标，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，由于构造构件存在低周疲劳现象，构造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开展减震是人为在构造的某些部位设置阻尼器或耗能构件,改变构造的动力性能,耗散构造吸收的地震能量,从而降低构造的地震反响。隔震则是指通过延长构造的自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输入,以此降低构造地震反响。对桥梁构造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,上部构造采用滑动支承隔震,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SierraPointBridge进展抗震加固。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。其根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—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根基上,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10MPa),具有足够高的初始剪切刚度(约130MPa),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;在地震作用下,铅芯屈服,刚度降低,延长了构造周期,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构造在摩擦面上发生滑动,从而将上部构造能够传递到下部构造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,费用对比适宜,坚实耐用,又具有较大的耗能能力。试验研究说明,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、连接的构造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根本功能:1)具备一定的柔度,用来延长构造周期,降低地震力;2)通过阻尼、耗能装置等对地震力进展耗散,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,在正常使用荷载下构造不发生屈服和有害振动。进展减隔震设计时,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