橋梁抗震理論及其控制

花雙陸 徐利軍

近一百年來世界范圍內發生了很多強烈地震,造成了包括橋梁在內的土木工程結構的重大破壞。為減輕地震所造成的生命與財產損失,人類與之進行長期不懈的努力。調查與分析橋梁的震害及其產生的原因,對于認識結構破壞機理、建立正確的抗震分析、設計方法,有巨大的價值。

1 橋梁震害

橋梁結構的形式雖然多種多樣,但總體上可以區分為上部結構、連接構件、橋墩和基礎。橋梁的震害可以按此歸納和總結[1]。

橋梁上部結構的震害,按照震害產生原因的不同,可分為上部結構本身的震害,上部結構的移位震害(包括落梁震害),以及上部結構的碰撞震害。橋梁上部結構的移位震害在破壞性地震中極為常見,表現為縱向移位、橫向移位以及扭轉移位;一般來說,設置伸縮縫的地方比較容易發生移位震害;如果上部結構的移位超出了墩、臺等的支承面,則會發生更為嚴重的落梁震害。橋梁在地震中的碰撞,比較典型的有:相鄰跨上部結構的碰撞,上部結構與橋臺的碰撞,相鄰橋梁間的碰撞。

支座的破壞形式主要表現為支座移位、錨固螺栓拔出、剪斷,活動支座脫落以及支座本身構造上的破壞等。支座的破壞會引起力的傳遞方式的變化,從而對結構其他部位的抗震產生影響,進一步加重震害。

橋梁結構中普遍采用的鋼筋混凝土墩柱,其破壞形式主要有彎曲破壞和剪切破壞。框架墩的震害主要表現為:蓋梁的破壞,墩柱的破壞以及節點的破壞。橋臺的震害除了地基喪失承載力(如砂土液化)等引起的橋臺滑移外,主要表現為臺身與上部結構(如梁)的碰撞破壞,以及橋臺向后傾斜。

地基失效(如土體滑移和砂土液化)是橋梁基礎產生震害的主要原因。樁基震害有極大的隱蔽性,許多樁基的震害是通過上部結構的震害體現出來的;但是,有時上部結構震害輕微,而開挖基礎卻發現樁基已產生嚴重損壞,甚至發生斷裂破壞。

通過研究橋梁歷次震害,我們得到的啟示是:要重視橋梁結構動力概念設計,選擇較理想的抗震結構體系;要重視延性抗震,用能力設計思想進行抗震設計;要重視支承連接部位的設計;要重視細部構造的設計;要重視采用減、隔震措施提高結構的抗震能力。

2 橋梁抗震設計方法

2.1 靜力法

靜力法產生于20世紀初期,是最早的結構抗震設計方法。20世紀初前后日本濃尾、美國舊金山和意大利Messina的幾次大地震中,人們注意到地震產生的水平慣性力對結構的破壞作用,提出把地震作用看成作用在建筑物上的一個總水平力,該水平力取為建筑物總重量乘以一個地震系數。

靜力法沒有考慮結構的動力效應,考慮到不同地區地震強度的差別,設計中取用的地面運動加速度按不同地震烈度分區給出。由于靜力法忽略了結構的動力特性這一重要因素,把地震加速度看作是結構地震破壞的單一因素,因而有很大的局限性,只適用于剛度很大的結構,如重力式橋臺等。

2.2 反應譜法

以地震加速度反應為豎坐標,以體系的自振周期為橫坐標,所得到的關系曲線稱為地震加速度反應譜,以此來計算地震作用引起的結構上的水平慣性力更為合理,這即是反應譜法。動力反應譜法同時考慮了地面運動和結構的動力特性,比靜力法有很大的進步。

1956年,紐馬克(N.M.New mark)首次把該法應用于實際工程的抗震設計,并取得了良好效果;1958年,第一屆世界地震工程會議之后,這一方法逐漸被許多國家接受,并應用到結構抗震設計規范中。

結構物可以簡化為多自由度體系,而多自由度體系的地震反應可以按振型分解為多個單自由度體系反應的組合,反應譜的概念可以由廣義線性單自由度體系來說明:

反應譜方法用于抗震設計的基本步驟:第一步是根據強震記錄統計用于設計的地震動反應譜;第二步是將結構振動方程進行振型分解,將物理位移用振型廣義坐標表示,而廣義坐標的最大值由第一步中的設計反應譜求得;最后,反應譜的最大值可通過適當的方法將各振型反應最大值組合起來得到,進而就可以求出地震作用。

2.3 動力時程法

動力時程分析法是隨著強震記錄的增多和計算機技術的廣泛應用而發展起來的,是目前工程界公認的精確分析方法。世界上大多數國家的抗震規范都規定除對常用的中小跨度橋梁采用反應譜分析法以外,對地位重要、結構復雜、跨度較大的橋梁所做的抗震計算均要求采用動力時程分析法。動力時程分析法從選定的地震動輸入(地震動加速度時程)出發,采用多結點多自由度的結構有限元動力計算模型建立地震動方程,采用逐步積分法對方程求解,結算地震過程中每一瞬時結構的位移、速度以及加速度反應。動力時程分析法可以精確的考慮地基和結構的相互作用,地震時程相位差及不同地震時程多分量多點輸入,結構的各種非線性因素(包括材料非線性、幾何非線性以及邊界連接條件非線性)。此外,動力時程分析法可以使橋梁的抗震設計從單一的強度保證轉入強度和變形的雙重保證,同時,能夠使橋梁工程師更清楚結構受地震力的破壞機理,從而有效地采取相應的措施來提高橋梁的抗震能力。但是采用時程分析法進行結構設計,分析技術復雜,計算工作量大,目前應用尚不普及,通常僅限于理論研究以及結構形式特殊、非常重要的橋梁結構中。

3 橋梁結構控制[5,6]

3.1 主動控制

結構主動控制是由外部能源向結構直接提供主動控制力,達到減小結構振動反應的控制方式。結構主動控制可以根據需要調節結構振動反應的控制效果,從理論上講,是最為有效的結構控制方法。結構主動控制的研究主要包括:結構主動控制算法,結構主動控制裝置,結構主動控制試驗及實際工程應用。結構主動控制算法主要有:最優控制算法,極點配制控制算法,獨立模態空間控制算法,自適應控制算法,脈沖控制算法等。

結構主動控制對結構動力反應的控制效果,已得到理論和試驗的證實。但由于技術和經濟的原因,用主動控制的方法來減小高層建筑及高聳結構的振動反應,短期內在我國還不能成為現實。

3.2 半主動控制

結構半主動控制是一種主動改變結構參數,僅需部分能源實現其控制裝置工作狀態的變換,使控制系統的參數能隨著結構的反應和外荷載的變化而變化,從而減小結構動力反應的結構控制方式。結構半主動控制方法主要有主動變阻尼和主動變剛度兩種。

3.3 被動控制

結構被動控制是控制裝置不需要外部能源輸入的控制方式。被動控制采用隔震、吸振和耗能等技術消耗結構的振動能量,達到減小結構振動反應的目的。其控制力是控制裝置隨結構一起振動,因控制裝置自身的運動而被動產生的。被動控制裝置相對來說是一種經濟、較易實現的方法。被動控制的效果低于主動控制,但其造價低廉、可靠性高、簡便易行的特點使其得到廣泛地應用。被動控制裝置主要有摩擦隔震、搖擺柱隔振、各種形式的阻尼器吸振、人工塑性鉸等。

隔震技術的原理是在結構的底部與基礎頂面之間設置軟墊層或滑動層,用來阻隔地震能量向上部結構的傳遞,從而減小結構的地震反應。

耗能減振技術是將結構的某些部件設計成耗能部件或安裝一些耗能阻尼器來消耗結構的部分振動能量,從而減小結構的振動反應。

吸振裝置的工作原理是:附加在結構上的子系統吸收結構部分的振動能量,達到減小結構振動反應的目的。吸振裝置主要有:調頻質量阻尼器(TMD)、調頻液體阻尼器(TLD)、液壓質量控制系統(HMS)。

3.4 混合控制

近年來,主動控制和被動控制的組合使用,即混合控制受到了廣泛的關注。混合控制系統能夠減少單獨使用被動或主動控制系統的局限性,并充分利用兩種系統各自的優點,拓寬了控制系統的應用范圍。主動設備和基礎隔震系統相結合是典型的混合控制系統,在地震期間,控制該隔震系統上部結構與地面之間滑動面上的摩擦力,將滑動位移限制在許可范圍內。試驗研究成功地驗證了混合控制系統在減小上部結構反應中相對于被動基礎隔震系統的優越性。

4 結語

通過歷次橋梁震害的分析,人們逐步改進橋梁結構抗震設計方法,近年來還把航空、機械等領域的控制理論引進橋梁抗震領域,這是今后橋梁工程領域中一個新的研究熱點。

[1]范立礎,卓衛東.大跨度橋梁抗震設計[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]范立礎.橋梁抗震[M].上海:同濟大學出版社,1997.

[3]王克海,李 茜.橋梁抗震的研究進展[J].工程力學,2007,24(S2):75-86.

[4]高 遠,魏志剛,王慶寬.淺談橋梁抗震分析方法[J].吉林交通科技,2009(1):43-45.

[5]歐進萍.結構振動控制——主動、半主動和智能控制[M].北京:科學出版社,2003.

[6]鐘萬勰,林家浩,吳志剛,等.大跨度橋梁分析方法的一些進展[J].大連理工大學學報,2000,40(2):59-60.