桥梁抗震设计理论分析

2020-11-26岳杰

商品与质量 2020年28期

岳杰

辽阳市公路规划设计有限公司辽宁辽阳 111000

地震是一种突发性的自然灾害，我国大陆地震频繁，具有强度大、分布广特点。地震给人类带来生命财产损失巨大，且带来经济和社会问题。地震工程学者认识到地震灾害的严重性，只有合理的抗震设计以及运用抗震设计理论，才能保证桥梁结构在地震发生时达到预期的抗震性能[1]。

1 常见桥梁震害

经过调研国内外的地震灾害显示，当震区桥梁破坏坍塌，不仅影响救灾通道，而且灾后需恢复重建。调研桥梁结构常见震害和分析产生震害的原因，能指导建立正确的抗震设计方法和有效的抗震措施。因此，研究历次破坏性地震中桥梁结构幸存或者破坏的情况，能优化桥梁设计和改进施工方法。常见桥梁震害如下。①主梁震害在早期的破坏性地震中，最严重的表现形式是落梁现象，顺桥向落梁情况大于横桥向落梁。主梁震害主要是自身震害、位移震害、碰撞震害等。②支座震害支座在抗震设计时容易忽视，如未设计合理的挡块和连梁装置，容易导致支座发生位移或者脱落，进而发生落梁等破坏形式。③桥台震害桥台产生位置偏移，桩基同时会偏移或产生裂缝，甚至断裂。④桥墩震害桥墩在地震作用下受到较大的往返水平力，较为薄弱的截面经过反复的振动发生破坏，破坏形式主要包括墩柱弯曲破坏、剪切破坏、墩柱承台震害等。⑤基础震害土体滑移和砂土液化等地基失效是扩大基础和桩基础产生震害的主要原因，桩基础会产生弯曲和剪切破坏，主要是上部结构传下来惯性力以及设计不合理导致。

2 桥梁震害发生的主要原因

地震的瞬发性极强，并且伴随着极大的破坏性，是一种能够从多维度造成桥梁破坏的自然灾害。桥梁是一个有机统一的整体，各个部位紧密联结，相互影响。所以，必须从多角度对桥梁震害产生的原因加以分析。研究表明，产生的主要原因有以下几点：①桥梁原有的支撑性受到破坏，无法维持良好的稳定性，造成桥梁损坏。例如，桥台发生重心偏移，相邻桥墩发生错位或断裂情况等。②地基下沉将会从底部影响桥梁的稳定性，致使整个桥梁结构发生下沉或坍塌，因此，地基基础是完成高质量桥梁结构的首要条件，具有重要作用。③地震具有持续性，能够不断对桥台、桥墩等桥梁结构进行相互碰撞，发生不可避免的损害和破坏。④桥梁设计的好坏是决定桥梁抗震性能的先决条件，优良的结构设计以及安全有效的减震隔震措施能够有效预防减少桥梁地震灾害。

3 桥梁抗震设计理论

3.1 静力法

静力法是应用较为常见的理论假设，其假定当地震发生时，不对其他相关因素进行考量，提出桥梁各个部件之间的振动与地震所产生的振动完全相同，把桥梁结构视为刚体，将动力学问题转变为静力学问题。但在实际情况中，除非桥梁的刚性程度达到极值，否则，二者的振动是不可能完全相同的。因此，这种方法仅适合于刚度值极大的桥梁工程[2]。

3.2 反应谱法

反应谱法将结构的动力问题转化成通俗易懂的静力问题，计算简单。反应谱法是作为规范基本的抗震分析法，适用于弹性范围内结构抗震分析，存在不适用进入塑性阶段的桥梁，且求得只是结构最大地震响应值，不能求出随地震变化而变化的地震响应值。因此，适用于中小跨度桥梁抗震分析。

3.3 动力时程分析法

动力时程分析法随着计算机和动力试验技术广泛应用和发展而应运而生。通过建立多自由度多节点有限元动力分析模型，输入地震动，分析结构在地震作用下地震响应和内力随时间变化。动力时程分析法能考虑结构、基础和土之间的相互作用，精确分析发生强烈非线性反应的结构地震响应。但存在一些主要问题仍需进一步研究，如地震动的输入；结构、基础和土之间相互作用等，具有计算量大、塑性铰等理论复杂等特点。因此，建议在相对比较重要、复杂、大跨度的桥梁抗震分析中使用。

4 桥梁设计中常用减隔震技术

4.1 高阻尼支座

对于高阻尼支座，它可以分成以下两种，其一，铅锌橡胶支座；其二，高阻尼支座。支座是对桥梁上部结构和下部结构进行连接的重要构件，支座受竖向荷载作用后依然十分坚固，并且还有很大的竖向刚度。然而，在水平方向上，往往刚度不足，较为柔软。受地震荷载作用后，支座能使结构振动周期明显增大，起到减小地震响应的重要作用。与此同时，因支座中的铅芯和钢板或橡胶和钢板存在相互作用，所以能提供一定阻尼比，使桥梁自身地震响应进一步减小。但与常用板式支座等对比，这种支座的高度相对较大，成本偏高，如果在桥梁工程中大量使用，无疑会增加建设成本。

4.2 弹塑性钢挡块

通过对桥梁震害的分析与研究可知，当中小跨径的桥梁使用传统板式支座时，因支座和桥梁上部结构、下部结构之间会产生一定相对位移，所以能起到一定抗震作用，使下部结构所受地震作用减小。然而，在设计中应高度重视挡块自身强度，因为如果强度不足，将在地震作用下极易破坏，严重时还会产生落梁。根据该挡块的模型可知，对挡块和常规板式支座进行连接，可利用结构自身非线性变形作用，使结构的自身周期明显增大，以此减小地震响应。另外，因挡块的设计十分灵活，受较强的地震作用后，对上部结构和下部结构产生的相对位移进行控制，能在发挥减隔震效果的基础上，保证墩身延性[3]。