桥梁工程抗震设计分析
2019-10-21吴志魁
吴志魁
摘 要:现阶段,桥梁抗震工程是交通当中的重要组成部分,因此对桥梁工程的抗震进行研究是十分必要的。抗震概念设计就是根据地震灾害以及工程实践当中的经验而总结得出的设计原则,根据这些设计原则对桥梁结构的方案、材料等因素做出有针对性的设计,达到理想的抗震效果,利用最经济的方法来达到最佳的抗震目的。
关键词:桥梁工程;抗震设计
1 地震破坏的主要类型
1.1 弯曲破坏
结构在水平地震荷载作用下由于过大的变形导致混凝土保护层脱落、钢筋压屈和内部混凝土压碎、崩裂,结构失去承载能力。整个过程表现为如下形式,当弯矩达到开裂强度时,截面出现水平弯曲裂缝;随着裂缝的发展和荷载强度的提高,受拉侧的纵筋达到屈服强度;随着变形量的增大,混凝土保护层脱落、塑性铰范围扩大;钢筋压屈(或拉断)和内部混凝土压碎、崩裂。
1.2 剪切破坏
在水平地震荷载作用下,当结构受到的剪切力超过截面剪切强度时发生剪切破坏,整个破坏过程表现为如下形式:截面弯矩达到开裂强度时,截面出现水平弯曲裂缝;随着裂缝的发展和荷载强度的提高,柱内出现斜方向的剪切裂缝;局部剪切裂缝增大,箍筋屈服导致剪切裂缝进一步增长;发生脆性的剪切破坏。
1.3 落梁破坏
当梁体的水平位移超过梁端支撑长度时发生落梁破坏。落梁破坏是由于梁与桥墩(台)的相对位移过大,支座丧失约束能力后引起的一种破坏形式。
1.4 支座损伤
上部结构的地震惯性力通过支座传到下部结构,当传递荷载超过支座设计强度时支座发生损伤、破坏。支座损伤也是引起落梁破坏的主要原因。对于下部结构而言,支座损伤可以避免上部结构的地震荷载传到桥墩,避免桥梁发生破坏。
2 桥梁抗震设计方法
桥梁抗震设计是指根据地震灾害和工程经验等获得的基本设计原则和设计思想,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。合理的抗震设计,可以使设计出来桥梁在强度、刚度和延性等指标上达到最佳的组合,使结构能够以最低的成本来实现抗震的目标。
2.1 体系的整体性和规则性
桥梁的整体结构要协调,上部结构应尽可能是连续的。较好的整体性结构可有效防止构件及非结构构件在地震时被震散掉落,同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。不管是在平面还是在立体上,结构的设计都要力求使桥梁在质量、刚度、几何尺寸等方面协调匀称,避免突然变化。
2.2 桩基础和墩柱设计
单柱墩的顶部位置中存在一定的塑性铰区域,在考虑了地震的影响之下就能够计算出所需要的配筋。同时,还可以根据桥梁的顺桥向以及横桥向的极限弯曲值来进行计算,最为主要的是计算出材料的强度以及超强系数等。在对桩基础结构形式进行设计的过程中,必须要考虑到很多外在因素的影响,而极限弯矩值是非常重要的一个因素,并且能够确定配筋的数量以及布置形式,还能够根据剪力分布情况得出墩柱的高度尺寸;轴力值的设计计算必须要结合桥梁宽度、跨数以及跨径等进行分析,从而确定最为合理的桥梁结构形式。桩基础的结构设计是以竖向承载力为主要考虑对象,否则将不能保证桥梁具备足够的抗震性能。完成了计算之后,应该应用轴力值以及剪力值对桥梁的结构形式进行反复验算,确保最终的桥梁结构强度满足交通运行的需要。
2.3 提高结构和构件的强度和延性
抗震设计要力图使从地基传入结构的振动能量为最小,并使结构具有适当的强度、刚度和延性,以防止不能容忍的破壞。在不增加重量,不改变刚度的前提下,提高总体强度和延性是两个有效的抗震途径。刚度的选择有助于控制结构变形;强度与延性则是决定结构抗震能力的两个重要参数。由于地震可造成结构和构件周期反复变形,使其刚度与强度逐渐退化,因此,只重视强度而忽视延性不是最佳的抗震设计。
2.4 桥墩长度计算
当前公路桥梁多为多跨简支梁以及连续梁结构,在计算桥墩承载力时,桥墩取极端长度为l0的值。在实际的多跨简支桥梁以及连续桥梁的桥墩中,在水平力作用下墩顶常常会出现一定的水平位移,故桥墩计算长度系数β一般在1~2的范围以内。经过分析发现,β常常受到诸多因素的影响,比如桥墩高度、刚性强度、支座的特性以及上下部构造对墩柱约束等。因此,工程项目中β的取值常常与规定值有较大的出入,这也会导致其桥梁承载力的计算比较保守。借助三维有限元软件则能够很好的模拟出桥梁结构空间受力基本特征,通过对实际施工过程及使用状态进行相关模拟,得出与实际要求较为接近的桥梁结构空间受力情况。通过对桥梁结构施工过程以及具体使用情况进行相应模拟,使得桥梁结构计算上得到了一定优化,满足相关的桥梁设计需求,同时桥梁的抗震能力得到显著提升。下面主要介绍使用有限元软件得出β值,进而提升桥梁长度l0的精度对于等直径的桥墩,墩身的抗推刚度需要满足要求:K=3EI/H3;而对于非等直径的桥墩,其抗推刚度要求为:K=3EI/[(H3+H2+H1)3-(H2+H1)3];有限元软件中构建的抗推刚度要求为:K=力/位移=F/δ(kN/m)。对于桥梁结构而言,上部结构在具体施工开始前,将单独一个桥墩的抗推刚度标记为K墩;上部结构施工完成后,因为一联桥梁的各个桥墩存在弹性连接,就等同于在桥墩的墩顶加上了弹性抗推刚度K弹,这便可以得出一联桥梁中的抗推刚度为K合=K墩+K弹。如果忽略掉墩顶弹性约束,则有K合=K墩;但如果墩顶的弹性约束不可忽略,且弹性约束K弹为无穷大,则相当于墩顶铰接。同时依照相关判断,对墩顶的轴向受压临界值进行判断便可以得出墩柱计算长度系数β。
3 桥梁抗震设计的相关问题
3.1 桥梁抗震概念设计
抗震概念设计是根据地震灾害以及工程经验获得的设计思想,能够有效的达到合理抗震的设计目的。合理抗震设计要求作品能够达到强度、延性等指标的最佳组合,从而利用最为经济的方法来达到抗震设防的目标。需要指出的是,我们虽然强调概念设计的重要性,但并不代表因此忽视了对于树脂的计算,这是为了能够创造更加有利的条件,从而保证计算分析的结果能够完整反映出地震时结构的真实反应。
3.2 地震响应分析及设计方法的改变
从地震的振幅等要素来看,在静力理论当中只考虑了高频振动的最大值;而在反应谱理论当中虽然考虑到了振幅以及频谱等因素,但并没有对持时进行明确反映;动力理论则在考虑到持时的基础上,还考虑到了其余特性。从组成结构抗震设计理论的四个不同方面看来,静力理论对其都做到了简化,而动力理论则能够更加全面地考虑到其他因素,此外其模型也更加接近实际,地震反应法考虑到了地震之后结构产生各种反应的过程,而设计原则在其他理论的基础上考虑到了安全概率等其他方面。
4 结语
综上所述,加强桥梁抗震设计的研究能够有效预防地震对桥梁带来的破坏。在研究过程中,研究人员需要认真分析抗震破坏的主要形式以及设计原则,探讨桥梁抗震设计的相关问题,更多的了解我国桥梁抗震设计规范的建设,从各方面来降低地震给桥梁带来的损伤,严格控制工程质量,使运输线路保持畅通,提高我国经济的快速发展。
参考文献:
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