桥梁抗震理论及其控制

2010-04-17花双陆徐利军

山西建筑 2010年27期

花双陆徐利军

近一百年来世界范围内发生了很多强烈地震,造成了包括桥梁在内的土木工程结构的重大破坏。为减轻地震所造成的生命与财产损失,人类与之进行长期不懈的努力。调查与分析桥梁的震害及其产生的原因,对于认识结构破坏机理、建立正确的抗震分析、设计方法,有巨大的价值。

1 桥梁震害

桥梁结构的形式虽然多种多样,但总体上可以区分为上部结构、连接构件、桥墩和基础。桥梁的震害可以按此归纳和总结[1]。

桥梁上部结构的震害,按照震害产生原因的不同,可分为上部结构本身的震害,上部结构的移位震害(包括落梁震害),以及上部结构的碰撞震害。桥梁上部结构的移位震害在破坏性地震中极为常见,表现为纵向移位、横向移位以及扭转移位;一般来说,设置伸缩缝的地方比较容易发生移位震害;如果上部结构的移位超出了墩、台等的支承面,则会发生更为严重的落梁震害。桥梁在地震中的碰撞,比较典型的有:相邻跨上部结构的碰撞,上部结构与桥台的碰撞,相邻桥梁间的碰撞。

支座的破坏形式主要表现为支座移位、锚固螺栓拔出、剪断,活动支座脱落以及支座本身构造上的破坏等。支座的破坏会引起力的传递方式的变化,从而对结构其他部位的抗震产生影响,进一步加重震害。

桥梁结构中普遍采用的钢筋混凝土墩柱,其破坏形式主要有弯曲破坏和剪切破坏。框架墩的震害主要表现为:盖梁的破坏,墩柱的破坏以及节点的破坏。桥台的震害除了地基丧失承载力(如砂土液化)等引起的桥台滑移外,主要表现为台身与上部结构(如梁)的碰撞破坏,以及桥台向后倾斜。

地基失效(如土体滑移和砂土液化)是桥梁基础产生震害的主要原因。桩基震害有极大的隐蔽性,许多桩基的震害是通过上部结构的震害体现出来的;但是,有时上部结构震害轻微,而开挖基础却发现桩基已产生严重损坏,甚至发生断裂破坏。

通过研究桥梁历次震害,我们得到的启示是:要重视桥梁结构动力概念设计,选择较理想的抗震结构体系;要重视延性抗震,用能力设计思想进行抗震设计;要重视支承连接部位的设计;要重视细部构造的设计;要重视采用减、隔震措施提高结构的抗震能力。

2 桥梁抗震设计方法

2.1 静力法

静力法产生于20世纪初期,是最早的结构抗震设计方法。20世纪初前后日本浓尾、美国旧金山和意大利Messina的几次大地震中,人们注意到地震产生的水平惯性力对结构的破坏作用,提出把地震作用看成作用在建筑物上的一个总水平力,该水平力取为建筑物总重量乘以一个地震系数。

静力法没有考虑结构的动力效应,考虑到不同地区地震强度的差别,设计中取用的地面运动加速度按不同地震烈度分区给出。由于静力法忽略了结构的动力特性这一重要因素,把地震加速度看作是结构地震破坏的单一因素,因而有很大的局限性,只适用于刚度很大的结构,如重力式桥台等。

2.2 反应谱法

以地震加速度反应为竖坐标,以体系的自振周期为横坐标,所得到的关系曲线称为地震加速度反应谱,以此来计算地震作用引起的结构上的水平惯性力更为合理,这即是反应谱法。动力反应谱法同时考虑了地面运动和结构的动力特性,比静力法有很大的进步。

1956年,纽马克(N.M.New mark)首次把该法应用于实际工程的抗震设计,并取得了良好效果;1958年,第一届世界地震工程会议之后,这一方法逐渐被许多国家接受,并应用到结构抗震设计规范中。

结构物可以简化为多自由度体系,而多自由度体系的地震反应可以按振型分解为多个单自由度体系反应的组合,反应谱的概念可以由广义线性单自由度体系来说明:

反应谱方法用于抗震设计的基本步骤:第一步是根据强震记录统计用于设计的地震动反应谱;第二步是将结构振动方程进行振型分解,将物理位移用振型广义坐标表示,而广义坐标的最大值由第一步中的设计反应谱求得;最后,反应谱的最大值可通过适当的方法将各振型反应最大值组合起来得到,进而就可以求出地震作用。

2.3 动力时程法

动力时程分析法是随着强震记录的增多和计算机技术的广泛应用而发展起来的,是目前工程界公认的精确分析方法。世界上大多数国家的抗震规范都规定除对常用的中小跨度桥梁采用反应谱分析法以外,对地位重要、结构复杂、跨度较大的桥梁所做的抗震计算均要求采用动力时程分析法。动力时程分析法从选定的地震动输入(地震动加速度时程)出发,采用多结点多自由度的结构有限元动力计算模型建立地震动方程,采用逐步积分法对方程求解,结算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度以及加速度反应。动力时程分析法可以精确的考虑地基和结构的相互作用,地震时程相位差及不同地震时程多分量多点输入,结构的各种非线性因素(包括材料非线性、几何非线性以及边界连接条件非线性)。此外,动力时程分析法可以使桥梁的抗震设计从单一的强度保证转入强度和变形的双重保证,同时,能够使桥梁工程师更清楚结构受地震力的破坏机理,从而有效地采取相应的措施来提高桥梁的抗震能力。但是采用时程分析法进行结构设计,分析技术复杂,计算工作量大,目前应用尚不普及,通常仅限于理论研究以及结构形式特殊、非常重要的桥梁结构中。

3 桥梁结构控制[5,6]

3.1 主动控制

结构主动控制是由外部能源向结构直接提供主动控制力,达到减小结构振动反应的控制方式。结构主动控制可以根据需要调节结构振动反应的控制效果,从理论上讲,是最为有效的结构控制方法。结构主动控制的研究主要包括:结构主动控制算法,结构主动控制装置,结构主动控制试验及实际工程应用。结构主动控制算法主要有:最优控制算法,极点配制控制算法,独立模态空间控制算法,自适应控制算法,脉冲控制算法等。

结构主动控制对结构动力反应的控制效果,已得到理论和试验的证实。但由于技术和经济的原因,用主动控制的方法来减小高层建筑及高耸结构的振动反应,短期内在我国还不能成为现实。

3.2 半主动控制

结构半主动控制是一种主动改变结构参数,仅需部分能源实现其控制装置工作状态的变换,使控制系统的参数能随着结构的反应和外荷载的变化而变化,从而减小结构动力反应的结构控制方式。结构半主动控制方法主要有主动变阻尼和主动变刚度两种。

3.3 被动控制

结构被动控制是控制装置不需要外部能源输入的控制方式。被动控制采用隔震、吸振和耗能等技术消耗结构的振动能量,达到减小结构振动反应的目的。其控制力是控制装置随结构一起振动,因控制装置自身的运动而被动产生的。被动控制装置相对来说是一种经济、较易实现的方法。被动控制的效果低于主动控制,但其造价低廉、可靠性高、简便易行的特点使其得到广泛地应用。被动控制装置主要有摩擦隔震、摇摆柱隔振、各种形式的阻尼器吸振、人工塑性铰等。

隔震技术的原理是在结构的底部与基础顶面之间设置软垫层或滑动层,用来阻隔地震能量向上部结构的传递,从而减小结构的地震反应。

耗能减振技术是将结构的某些部件设计成耗能部件或安装一些耗能阻尼器来消耗结构的部分振动能量,从而减小结构的振动反应。

吸振装置的工作原理是:附加在结构上的子系统吸收结构部分的振动能量,达到减小结构振动反应的目的。吸振装置主要有:调频质量阻尼器(TMD)、调频液体阻尼器(TLD)、液压质量控制系统(HMS)。

3.4 混合控制

近年来,主动控制和被动控制的组合使用,即混合控制受到了广泛的关注。混合控制系统能够减少单独使用被动或主动控制系统的局限性,并充分利用两种系统各自的优点,拓宽了控制系统的应用范围。主动设备和基础隔震系统相结合是典型的混合控制系统,在地震期间,控制该隔震系统上部结构与地面之间滑动面上的摩擦力,将滑动位移限制在许可范围内。试验研究成功地验证了混合控制系统在减小上部结构反应中相对于被动基础隔震系统的优越性。