橋梁抗震、抗風設計理念及方法研究

王英偉

(大連理工大學 土木建筑設計研究院有限公司,遼寧 大連 116023)

橋梁抗震、抗風設計理念及方法研究

王英偉

(大連理工大學 土木建筑設計研究院有限公司,遼寧 大連 116023)

橋梁建設對交通發展具有重要意義，隨著我國經濟的發展，交通也在不斷進步，橋梁建設的重要性也愈發突出。目前，國內外對于大跨度橋梁的研究主要集中在橋梁地震反應特性方面，鮮有對橋梁結構橋梁抗震與抗風設計的研究。對于橋梁而言，其抗震、抗風性能直接影響使用質量，特別是近年來地震等自然災害頻繁發生，橋梁抗震、抗風設計更為重要，文章主要對當前橋梁抗震、抗風設計理念及方法進行了探討，以便于設計人員合理運用橋梁設計思想。

橋梁抗震；橋梁抗風；設計理念；設計方法

地震和風災對橋梁破壞嚴重,特別是風災,發生頻繁,對橋梁造成的病害更多,輕者影響橋梁使用,重者會造成橋梁毀損,甚至發生重大事故[1]。目前,對橋梁的研究主要集中于橋梁工程的管理,鮮有對橋梁建設,尤其是橋梁抗震、抗風設計理念及方法的研究。橋梁抗震、抗風設計關乎橋梁質量,本文就從這方面出發,對其展開研究,為設計人員提供借鑒。

1 橋梁抗震抗風設計的重要性

橋梁抗震、抗風設計不是從來就有的,它是實踐經驗的總結。在所有自然災害中,地震的危害性最大,強烈的地震會對橋梁有毀滅性損害[2]。風災又是發生最為頻繁的自然災害,其對橋梁造成的病害也多種多樣,輕者會影響橋梁使用功能,重者則會導致橋梁毀壞,甚至可能發生嚴重的安全事故[3]。橋梁抗震抗風設計理念是在總結地震、風災等自然災害和工程經驗的基礎上得到的設計原則和設計思想,在其指導下進行橋梁設計工作,可以提高橋梁的安全性,延長橋梁使用壽命,因此,橋梁抗震、抗風設計至關重要。

2 橋梁抗震設計

2.1 地震對橋梁的主要破壞

地震的危害是巨大的,它的危害侵蝕著生活的方方面面,其對橋梁的破壞主要表現在以下幾個方面:損傷支座、破壞落梁、破壞彎剪、破壞彎曲等。

2.1.1 損傷支座

支座發生損傷,主要是由于上部結構所受到的地震慣性力自上而下傳遞蔓延到支座,若是支座在設計建造時沒有足夠的抗震能力和負荷能力,那么就會因承受不住上部傳遞下來的這股力量從而發生支座損傷的情況。這也是導致落梁被破壞的關鍵性原因。雖然其造成了不可挽救的支座損傷,但從另一方面來說,這種情況也非常有效地避免了地震力量對橋墩的進一步破壞[4]。

2.1.2 破壞落梁

落梁破壞的原因主要是由于橋墩和梁之間發生了較大的位移,從而使得橋梁缺乏支撐,支座的約束力喪失。也就是說,該類破壞情況的產生就是由水平位移過大造成的。此類情況主要有梁間地震碰撞、支座破壞、梁體支撐長度不足、相對位移大等。

2.1.3 破壞彎剪

在發生地震時,橋梁結構的荷載能力受到剪切力的考驗,一旦剪切面承受的剪切力超過了橋梁的承受強度,那么橋體就容易出現剪切破壞,主要的破壞過程為:超強的剪切力使截面出現一些水平彎曲的裂縫;之后荷載強度逐漸增大,裂縫也逐步得到了發展,斜方向的裂縫在柱體內由此產生;箍筋屈服,剪切裂縫增大;最后,橋體難以再承受荷載,出現脆性剪切破壞[5]。

2.1.4 破壞彎曲

水平地震的強力破壞使橋體彎曲,橋梁內部混凝土出現被壓碎、崩裂,致使整個橋體喪失了承載能力。首先,彎矩上承受的荷載力達到開裂強度,隨之而來的就是幾面水平彎曲裂縫;然后,荷載強度和裂縫都持續增強、增大,從而使處于側拉位置的縱筋達到了屈服強度;緊接著,橋體出現大幅度變形,內部塑性鉸范圍變大、橋體的混凝土保護層一點點發生脫落現象;最后,橋體的內部混凝土崩裂、壓碎,橋身鋼筋被拉斷[6]。

2.2 抗震設計原則

出于對橋體穩固、質量最佳的高度需求,在進行抗震設計時,要充分考慮到橋體的延性、剛度、強度等各方面的使用需求。用此種方式來使得抗震設計更具有合理性和可建造性。在此之前,若想充分了解抗震設計的要求和思路,就要深入實踐,以自身的創造力和豐富的經驗來發現并尋找抗震設計的原則和規律[7]。

首先,在進行場地選擇時,以建造穩固安全的橋梁為目的考慮諸如地質等各方面的因素。其次,體系的規則性、整體性都要嚴格按照規范來進行設計建造,保障結構的連續和良好的整體性。再次,構件和結構的延性、強度的提升,是橋梁抗震設計中的重要內容，能力設計在橋梁抗震設計中占據著至關重要的位置,有差別的設計和建造以增強橋體整體性能。最后,建造多道抗震防線,以便橋梁在強震中得以保存[8]。

2.3 理念與方法

經過多年收集的關于地震破壞的資料和研究實踐經驗,可以發現抗震理念與方法經過時代的變遷出現了方方面面的變化[9]。

2.3.1 抗震概念設計

參數設計和概念設計兩部分組成了橋梁結構抗震設計。從概念上來看,主要考慮的是總體的抗震工程決策;而從參數設計方面進行思考設計,則關鍵是對結構和支座變形驗算、構件強度驗算、地震作用計算等方面來進行的[10]。多年以來的抗震實踐和研究告訴我們,單單有精準的計算能力并不足以勝任抗震工作,出色的抗震工作需要有優良的抗震概念設計和參數設計,兩者呈現相輔相成缺一不可的密切聯系。只有同時具有這兩方面的設計和能力,在能夠避免陷入盲目的抗震工作中去。

2.3.2 結構延性的提高

在對橋梁造成的損害當中,首屈一指的就是地震的剪切破壞,此類危害不僅摧毀力大,還具有較高的發生率,是一種極其危險的脆性破壞。然而要想解決這一問題,最為重要的一個方式就是改善橋梁結構延性,這樣才能夠在較大程度上起到抗震的作用。剪切破壞中,橋梁所受的慣性力是最為重要的一股摧毀力量,為了避免慣性力造成更大的倒塌性破壞,控制損傷截面、避免脆性剪切破壞、提高套箍效應等措施都能在很大程度上增強橋梁的延性[11]。

2.3.3 損傷后變形性能驗算

通常情況下,彈性理論設計能夠很好地保護橋梁,以免橋梁受到破壞。然而,一旦荷載力超出橋梁的彈性應力,那么橋梁的安全就難以保障。此時對損傷后橋梁的變形能力進行科學合理的驗算,能夠在及早實施相關措施,以避免強震時橋梁崩壞。

2.3.4 關于地震響應計算方法的改變

作為一種科學合理的預測計算方法,地震響應是建立在實測經驗和長期積累、以及對場地運動特性的充分研究基礎上的動力學問題。地震響應使得對橋梁結構安全的驗算方法從靜態向動態轉變,這種預測驗算更精準、更有利于地震實測。

2.3.5 多階段設計方法

根據橋梁在地震發生時所受荷載力的強弱以及受損情況,需要有針對性的設計方法來保障橋梁無論在哪個階段都能有充分的安全,改變以往單一的抗震設計模式,逐步向多階段設計方法演進,區分類別,小震大震所需理論區別應用。

2.3.6 減隔震結構的應用

阻尼特性、振動周期性是減隔震結構設計所獨有的特性,該設計方法能夠極其有效地吸收震能從而減輕地震的荷載力。隨著科學技術的發展,如今已研究出很多減隔震裝置,諸如鉛芯橡膠支座等,它們在橋梁抗震過程中起到了不可取代的作用。可以毫不夸張地說,減隔震結構是當今每個橋梁所必備的。

2.3.7 配筋構造和落梁的防止措施

以確保核心混凝土延性為目的,抗震工作中對錨固構造以及箍筋配置方法等都有了超出以往的更好的要求。在橋梁建設中,橋墩結構的延性極其重要,這一點決定了在建造橋梁時要高度注意縱筋截斷面中塑性鉸的設計。落梁的防止措施隨著橋梁建造技術的提高以及對抗震需求的增強而有了更加高的要求,人們在建造橋梁時致力于抗震工作的完善,以期能夠符合各方面的需求。

3 橋梁抗風設計理念與設計方法

3.1 橋梁抗風設計理念

保證橋梁結構安全、可靠、耐用是橋梁設計的基本目的,抗風設計亦是如此,具體而言,橋梁抗風設計理念要包括以下內容:首先,在橋梁設計的使用年限內,在最大風速下,橋梁結構不應出現毀壞性的自激發散振動。其次,在橋梁設計的使用年限內,在風荷載等因素作用下,橋梁結構的強度與剛度應符合設計標準,不應出現靜力失穩。再次,結構非破壞性風致振動的振幅應滿足設計使用要求,如結構疲勞、行車安全等。最后,可以采取相關措施提高結構的抗風能力,如氣動措施、機械措施、結構措施等。

因自然風會導致風致振動,橋梁抗風設計首先要求橋梁的設計風速和臨界風速(顫振、馳振)相比有充足的安全度,以保障橋梁結構在不同階段的抗風性都能滿足要求。另外,渦激共振與抖振的最大振幅應控制在合理范圍之內,以避免影響橋梁的使用。

如果橋梁的初次設計方案不能達到抗風標準,應采取針對性措施,如氣動措施、結構措施等,最大限度的減少風致振動振幅并提高結構的抗風性能。

由于橋梁設計有許多階段,因此采用何種抗風設計方法應以實際情況為根據。

在橋梁抗風設計工作中,必須重視風特性參數、橋梁的動力特性、顫振臨界風速、抖振響應等幾個重要因素,它們對做好橋梁抗風設計工作具有重要影響。

3.2 橋梁抗風設計方法

在橋梁抗風設計方法上以位于江蘇省內的蘇通長江大橋為例展開分析。蘇通長江大橋是斜拉橋,其跨度在世界上堪稱最大。在主航道橋抗風設計上,其采用的是有限元模型。

通過深入分析蘇通長江大橋體系可知,模型選擇是開展抗風設計工作的基礎。在考慮風荷載時,蘇通長江大橋綜合比較了Fixed-Free側位裝置生效、Fixed-Free全橋縱飄體系、Fixed-Free兩側限位裝置生效三種分析方式,最終認為Fixed-Free兩側限位裝置生效分析方式最為適宜。然后通過科學分析和模擬斜拉橋、橋梁振動以及結構,最終選擇斜拉索以平衡橋梁的各種振動和風力,保證橋梁結構安全、可靠、耐用。

作為結構特性之一,橋梁工程界歷來重視結構阻尼的測試與分析,在橋梁抗風設計中,可以通過CH=FH/0.5PU2D進行計算,在上述公式中,FH、U、P、D分別為阻力、來流風速、空氣密度、橋塔塔柱橫橋的迎風面寬度。對于風荷載的計算,可以采取下列公式,即

(1)

(2)

(3)

(4)

在上式中,主梁的阻力系數、升力系數、升力矩系數、高度、寬度分別為CD、CL、CM、H、B,橫橋、順橋的等效靜陣風系數分別為GVT、GVA。

對于斜拉索的風荷載,則可采取下列公式計算,即

(5)

(6)

在上式中斜拉索順橋、橫橋方向的阻力系數分別為CDX、CDZ,斜拉索的傾斜角度與直徑分別為α、D。至于橋墩的風荷載計算方法,可比照以上公式。實現橋梁抗風屬性最佳設計,必須對各種系數進行計算,只有如此才能真正提高橋梁的抗風性能。

目前橋梁的抗風設計措施主要有提高結構剛度與增加結構質量兩種,對于一般大橋,提高結構剛度后,固有頻率會增大,這就可以縮小振幅。對于柔性的大跨度橋,通常增加主梁剛度。大橋結構質量增加后,就可以縮小風致振動的振幅,降低原有的頻率,有效減少風致振動的危害。

4 結束語

橋梁的抗震與抗風設計應從實際出發,根據具體情況選擇設計方法,重視搜集資料,選擇最為合理的設計模型,只有如此,才能保證橋梁設計結構滿足抗風、抗震的要求,提高橋梁質量。

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[3] 楊 威,蔣敏杰.試論橋梁抗震與抗風設計理念及設計方法[J].科技創業家,2012(23):28.

[4] 梁 浩.橋梁抗震與抗風設計理念及設計方法探討[J].建設科技,2015(20):92～93.

[5] 柴淑梅.公路橋梁抗震設計的現狀和發展[J].公路交通科技(應用技術版),2011(2):152～154.

[6] 張 偉.結構振動控制在橋梁抗震和抗風設計中的應用[J].硅谷,2011(5):148,187.

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[8] 冉光海.公路橋梁設計中新理念的運用研究[J].黑龍江交通科技,2015(2):138～139.

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2016-08-05；修改日期：2016-08-10

王英偉(1979-)，男，吉林農安人，大連理工大學土木建筑設計研究院高級工程師．

U442.55

A

1673-5781(2016)04-0492-04