基于橋梁延性抗震設(shè)計(jì)方法前沿研究

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400041)

一、引言

目前，我國已經(jīng)由交通大國向交通強(qiáng)國邁進(jìn)。一部橋梁史就是一部人類進(jìn)步發(fā)展的歷史，近些年來，橋梁領(lǐng)域方面理論與技術(shù)研究日新月異，涌現(xiàn)出更多創(chuàng)新性的理論、技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。但是，在這樣的大背景下，我國處在多個地震板塊之間，東西部差異巨大，江河湖海、峽谷溝壑眾多，勢必會帶來嚴(yán)重的地震災(zāi)害。一旦發(fā)生地震災(zāi)害，將會給整個橋梁帶來無法估量的破壞[3]。怎樣優(yōu)化橋梁抗震設(shè)計(jì)理論方法、有效提升橋梁的抗震能力，這些問題怎樣解決擺在了工程師的面前。特別對于橋梁而言，橋梁作為交通運(yùn)輸生命線工程，橋梁結(jié)構(gòu)是組成整個生命線工程的重要部分，在抗震救災(zāi)中處于極其重要的地位。合理的抗震設(shè)計(jì)必須使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度和延性方面具有最理想的組合。

二、抗震設(shè)防水準(zhǔn)震害分析

(一)抗震設(shè)防水準(zhǔn)的完善

對于地震設(shè)防水準(zhǔn)，最近半個世紀(jì)以來，從早期階段的單一類型的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)來保證結(jié)構(gòu)的安全實(shí)用功能，隨著人們對地震不確定性的深入研究以及對結(jié)構(gòu)成本與結(jié)構(gòu)抗震功能的研究和一大批科學(xué)家們對于地震產(chǎn)生的機(jī)理和地震產(chǎn)生的動力性能，地震作用下對于工程結(jié)構(gòu)的動力特性和以此為基礎(chǔ)的破壞機(jī)理的研究[13]。提出來多級抗震設(shè)防的思想。但是，目前而言，大多數(shù)橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)都是建立在建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)之上，而且一般較建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范更新緩慢，其在使用功能和結(jié)構(gòu)受力方面有很大不同[12]。展開鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究和對于橋梁設(shè)防水準(zhǔn)尤為重要[4]。

(二)橋梁地震震害分析

對于自然災(zāi)害來說地震是最具有突發(fā)性和毀滅性的，鄧育林[1]等在所編著的教材中對橋梁震害做了詳細(xì)的描述：橋梁的震害主要是由地震損傷引起的地表損傷和損傷。目前，對于大多數(shù)橋梁抗震的研究都是在以中小橋的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但是隨著我國大跨徑橋梁的不斷增加，研究其震害分析機(jī)理將會給我們橋梁抗震設(shè)計(jì)方法帶來一定的突破。一般而言地震會引起地表破壞，地表破壞是由地震引起地面開裂、錯層、岸坡滑移和砂土液化引起的[3]。這些將會使橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定程度的傾斜，給橋梁整體帶來結(jié)構(gòu)損壞。在陡峭的山地或沙土和軟土岸坡上，由強(qiáng)震引起的崩塌、泥石流和崩塌會在一定程度上造成橋梁的破壞。在斜坡岸坡或古河道中，地震往往會發(fā)生滑動、開裂和塌陷。橋梁的震害是由于地震殘生的縱波和橫波對于橋梁所引起的水平和豎向振動，導(dǎo)致整個全橋系統(tǒng)帶來各個構(gòu)件受力性能發(fā)生變化。此外，有些橋梁雖然在設(shè)計(jì)當(dāng)中強(qiáng)度和剛度上能夠使橋梁滿足整體構(gòu)件不被破壞的要求，但橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部部分會產(chǎn)生一定程度的破壞，這些由于沒有考慮到結(jié)構(gòu)延性的影響，一旦地震來臨，從而導(dǎo)致橋梁破壞[6]。

三、橋梁延性抗震設(shè)計(jì)

在自然災(zāi)害中地震作用是一種非線性、不規(guī)則的循環(huán)往復(fù)荷載運(yùn)動，且具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，而對于橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞機(jī)理十分復(fù)雜[2]。目前人們對地震動和震后結(jié)構(gòu)地震破壞的認(rèn)識尚不充分，因此，要進(jìn)行精確的抗震設(shè)計(jì)目前還不成熟[9]。

(一)延性抗震設(shè)計(jì)方法

延性抗震設(shè)計(jì)采用能力設(shè)計(jì)方法主要是針對橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中構(gòu)件與構(gòu)建之間的結(jié)構(gòu)承載力受力差距。特別是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中形成梁鉸機(jī)構(gòu)和滿足橋梁結(jié)構(gòu)延性較大的正截面設(shè)計(jì)方法。對于延性抗震設(shè)計(jì)主要基于計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)分析軟件當(dāng)中以非線性動態(tài)為依據(jù)，主要研究在橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下構(gòu)件之間不發(fā)生完全破壞和整體橋梁喪失結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下。主要提升橋梁構(gòu)件的滯回耗能能力、塑性鉸的設(shè)置與極限變形能力。

(二)延性抗震設(shè)計(jì)兩個階段

(1)從整體橋梁結(jié)構(gòu)體系出發(fā)，對橋梁的布置形式進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)階段要考慮到橋梁塑性鉸最不利的位置，根據(jù)最不利的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

(2)依據(jù)目前結(jié)構(gòu)分析軟件里邊的地震模態(tài)分析，進(jìn)行地震來臨時橋梁施工狀態(tài)下和成橋狀態(tài)下模態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行橋梁抗震性能的計(jì)算與驗(yàn)算，提升整體橋梁結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。

在整個橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中，根據(jù)可能出現(xiàn)的不同問題，以上兩階段可以反復(fù)的論證，以至于滿足最終的橋梁抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。達(dá)到橋梁在施工階段和今后橋梁服役期間符合橋梁整個橋梁抗震性能[5]。

(三)延性抗震設(shè)計(jì)總結(jié)及研究

在橋梁延性抗震設(shè)計(jì)的整個過程當(dāng)中，如果橋梁整個結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)某種屈曲狀態(tài)，則橋梁在變形過程當(dāng)中就要通過塑性鉸來滿足傳動的能力，故需要根據(jù)屈曲模態(tài)的形式對于橋梁塑性鉸的位置進(jìn)行調(diào)整。特別的在塑性鉸區(qū)，就需要對塑性鉸進(jìn)行配筋的橫向設(shè)計(jì)和縱向設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的曲率延性系數(shù)一般要大于結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)。

四、總結(jié)

目前對于地震的機(jī)理研究科學(xué)家也正在努力，相信在深入了解之后，在延性抗震方面會有更大的突破，雖然目前對于地震的研究我們還有很長的路要走，其實(shí)在目前的工程領(lǐng)域當(dāng)中，我們只是減少震害而不是抗震，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)和與工程領(lǐng)域相關(guān)交叉學(xué)科的出現(xiàn)，可以幫助我們很好地模擬地震來臨時的橋梁模態(tài)分析，將地震帶來的危害降到最小。