橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法研究

周建波

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430010)

1 引言

在地震力作用下，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)安全性不足，交通網(wǎng)絡(luò)癱瘓，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失現(xiàn)象比比皆是。因此，研究橋梁抗震性能非常重要。目前，我國通過對中小跨徑橋梁進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，模擬橋梁結(jié)構(gòu)在地震力作用下內(nèi)力的變化規(guī)律，最終得到橋梁抗震分為延性抗震和減隔震。橋梁通過減隔震可以耗散能量，降低地震的反應(yīng)。風(fēng)荷載對橋梁的影響同樣較大，對橋梁造成的病害也是多方面的，但在早期橋梁設(shè)計(jì)過程中，人們常常忽略風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)較大震蕩，使橋梁出現(xiàn)疲勞破壞。因此，本文研究內(nèi)容具有一定的意義。

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)理念與方法

2.1 設(shè)計(jì)理念

2.1.1 抗震概念設(shè)計(jì)

橋梁抗震設(shè)計(jì)主要分為概念設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)主要分析方向是結(jié)構(gòu)總體，參數(shù)設(shè)計(jì)是對地震力進(jìn)行計(jì)算、構(gòu)件性能及結(jié)構(gòu)和支座變形情況進(jìn)行驗(yàn)算等。技術(shù)人員在地震災(zāi)害中總結(jié)出：結(jié)構(gòu)方案、構(gòu)造措施不符合要求，即使計(jì)算精確程度再高，橋梁的抗震性能也達(dá)不到使用要求。因此，人們對抗震概念設(shè)計(jì)越來越重視。橋梁的概念設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)計(jì)二者相輔相成，共同作用[1]。

2.1.2 提高結(jié)構(gòu)延性

地震力產(chǎn)生的剪切破壞屬于脆性破壞，會(huì)對橋梁造成較大的損壞。因此，改善橋梁結(jié)構(gòu)，提高橋梁的延性和抗震性能非常重要。為保證結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用狀態(tài)，防止橋梁出現(xiàn)倒塌的現(xiàn)象，可對核心混凝土的套箍效應(yīng)進(jìn)行提高，進(jìn)而提高橋梁的抗剪能力，使橋梁結(jié)構(gòu)的延性提高。

2.1.3 變形性能驗(yàn)算

彈性理論對橋梁進(jìn)行計(jì)算時(shí)具有一定的局限性，當(dāng)橋梁出現(xiàn)塑性變形時(shí)，該理論不適合進(jìn)行驗(yàn)算。因此，通過對變形能力進(jìn)行驗(yàn)算，使結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生致命破壞。

2.1.4 地震響應(yīng)計(jì)算方法的改變

橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)屬于動(dòng)力學(xué)范疇，對橋梁進(jìn)行靜力計(jì)算不能預(yù)測結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。隨著研究的深入，對橋梁的計(jì)算已經(jīng)從靜力學(xué)向動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變，這樣可以真實(shí)有效地模擬橋梁的地震力學(xué)行為。

2.1.5 多階段設(shè)計(jì)

彈性設(shè)計(jì)理論適用范圍為橋梁發(fā)生彈性變形，對于橋梁的彈塑性變形以及塑性變形不能進(jìn)行分析，或分析結(jié)果不準(zhǔn)確。延性設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍較廣，因此，橋梁設(shè)計(jì)開始向多階段設(shè)計(jì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化[2]。

2.2 設(shè)計(jì)方法

2.2.1 靜力法

靜力分析的研究與發(fā)展較早，但是該理論存在一定的缺點(diǎn)。分析過程中對地面的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性缺少考慮,將地震產(chǎn)生的動(dòng)力視為靜止的，橋梁的安全程度通過荷載效應(yīng)與抗力效應(yīng)進(jìn)行對比得到。對地面的運(yùn)動(dòng)、場地地基考慮較少。

2.2.2 反應(yīng)譜法

靜力學(xué)計(jì)算分析對于地震作用的影響分析缺點(diǎn)非常明顯，根據(jù)現(xiàn)階段已有研究成果提出了新的研究方法——反應(yīng)譜法。地震在橋梁設(shè)計(jì)中采用設(shè)防烈度來表示可以承受的最大地震作用，橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜法能夠最大限度地替代靜力計(jì)算模型中的不足，動(dòng)力地震反應(yīng)譜很好地結(jié)合了梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，靜力計(jì)算還是采用原始的假定地震荷載進(jìn)行分析，因此在設(shè)計(jì)中采用傳統(tǒng)地震荷載結(jié)合地震反應(yīng)譜進(jìn)行分析，能夠有效反映出地震對橋梁的實(shí)際影響狀態(tài)。

2.2.3 位移計(jì)算法

地震對于橋梁的主要作用是使橋梁產(chǎn)生位移，當(dāng)橋梁在地震作用下產(chǎn)生的位移足夠大時(shí)，就會(huì)使得橋梁產(chǎn)生開裂等破壞。從位移角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)中需要考慮橋梁在震作用下的屈服變形能力是否能滿足實(shí)際建設(shè)需求。地震作用下橋梁產(chǎn)生的位移不能采用強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行衡量，強(qiáng)度指標(biāo)只適用于分析橋梁脆性、彈性性能。對于位移計(jì)算，設(shè)計(jì)變量的影響因素中結(jié)構(gòu)變形和位移最終計(jì)算結(jié)果反應(yīng)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上，即強(qiáng)度越大，橋梁在受力一定的情況下位移和變形越小，反之強(qiáng)度越小，在受力一定的情況下位移和變形越大。

3 案例分析

3.1 工程概況

本文所依托工程為某大橋，該橋連接2 座城市，橋跨結(jié)構(gòu)為2×100 m+300 m+1 088 m+300 m+2×100 m。橋梁索塔為Y字形，塔高為297.7 m，是世界上最大的斜拉橋之一。橋梁結(jié)構(gòu)受力簡圖如圖1 所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)受力簡圖

3.2 模型建立

本橋的結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，抗震設(shè)計(jì)主要通過建立橋墩柱質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型對橋墩受力情況進(jìn)行分析，以確保地震作用對橋梁結(jié)構(gòu)安全生產(chǎn)的影響在可控范圍之內(nèi)。墩柱質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型主要有單質(zhì)點(diǎn)自由度振動(dòng)模型、多質(zhì)點(diǎn)單振型模型、多質(zhì)點(diǎn)多振型模型3 種。如圖2 所示。

圖2 墩柱抗震結(jié)構(gòu)模型

3.3 結(jié)構(gòu)體系分析

3.3.1 橋梁地震模型選擇

根據(jù)現(xiàn)階段我國對于斜拉橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的研究，斜拉橋跨徑較大，屬于柔性結(jié)構(gòu)體系，因此在地震作用下橋梁振幅較大，對橋梁產(chǎn)生破壞力較大。總體概括起來主要有3 種工作機(jī)理：（1）柔性結(jié)構(gòu)有助于減小地震作用的反應(yīng)時(shí)間，延長結(jié)構(gòu)壽命；（2）增加橋梁阻尼結(jié)構(gòu)，來消耗地震作用產(chǎn)生的位移，減小橋梁地震作用產(chǎn)生的振幅；（3）在正常使用過程中結(jié)構(gòu)剛度較大，跨徑較大，荷載對橋梁作用產(chǎn)生的影響較小。

3.3.2 結(jié)構(gòu)體系

基于已有的抗震結(jié)構(gòu)分析理論，本斜拉橋的剛性約束體系、漂浮體系對于橋梁縱橫向結(jié)構(gòu)都不是理想的地震分析模型，剛性約束體系分析模型會(huì)使得橋梁內(nèi)力過大，漂浮體系分析模型會(huì)造成梁段和塔頂產(chǎn)生較大的位移，主塔相對實(shí)際受力較小。

采用漂浮體系分析模型可以適當(dāng)?shù)卦黾铀⒘簞偠龋黾訌椥赃B接體系，能夠有效避免這種模型的不足。其次通過加大橋梁塔、梁間的阻尼值，能夠有效減小地震作用的影響，選取合適的剛度值，增加彈性連接件的抗震效果，采用彈性連接體系也可以有效減小梁端、塔頂位移，但是相對于阻尼器黏滯參數(shù)的選取能夠有效延緩加速度、位移值的反應(yīng)時(shí)間，彈性連接件的作用效果有所欠缺，因此采用黏滯阻尼器的抗震效果要比彈性連接抗震效果更加理想。

根據(jù)現(xiàn)有的研究資料及斜拉橋橫、縱向約束研究分析表明，橋梁抗震設(shè)計(jì)過程采用黏滯性阻尼器和橋墩上增設(shè)滑動(dòng)摩擦支座可以有效地改善橋梁的抗震性能。

4 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念與方法

4.1 橋梁風(fēng)荷載可靠性分析

橋梁風(fēng)荷載的影響主要有脈動(dòng)風(fēng)荷載、平均風(fēng)荷載2 種表述方式。采用隨機(jī)變量風(fēng)荷載模型，按照一定的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)，并將這種風(fēng)速進(jìn)行分析呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律，此時(shí)所采用的風(fēng)速荷載分析選用平均風(fēng)荷載。設(shè)計(jì)過程中沒有經(jīng)過系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)風(fēng)速概率變量，而是隨機(jī)選取風(fēng)速進(jìn)行模擬，按照統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)方法，來描述脈動(dòng)風(fēng)荷載，通常是用功率譜密度來表示，這種分析方法稱為脈動(dòng)風(fēng)荷載。

根據(jù)橋梁實(shí)際風(fēng)荷載的作用形式常采用的分析模型為：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，對于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速引起的荷載效應(yīng)，采用超越失效模式進(jìn)行主梁風(fēng)振穩(wěn)定性、可靠性分析。功能函數(shù)取值根據(jù)結(jié)構(gòu)抗力與荷載效應(yīng)的差值選用；根據(jù)荷載效應(yīng)的作用特點(diǎn)，主梁采用風(fēng)振安全可靠性超越失效模式分析時(shí)，橋梁設(shè)計(jì)剛度、強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)抗力的主要決定因素。

橋梁抗風(fēng)理論模型的目標(biāo)是通過計(jì)算使橋梁達(dá)到失效狀態(tài)極限應(yīng)力時(shí)的風(fēng)荷載，來確保橋梁在風(fēng)荷載作用下安全可靠。最常用的是根據(jù)失效概率函數(shù)模型，通過一次二階矩陣模型得到臨界顫振風(fēng)速，求得均值和方差。對于大型橋梁結(jié)構(gòu)都會(huì)建立一套完整風(fēng)荷載分析研究體系，本文采用一種最常用的風(fēng)荷載分析系統(tǒng)進(jìn)行橋梁可靠性分析。

4.2 橋梁風(fēng)荷載分析計(jì)算方式

順橋向風(fēng)荷載（Px）設(shè)計(jì)理論計(jì)算，根據(jù)上述分析理論選取式（1）進(jìn)行計(jì)算：

橫橋向風(fēng)荷載(Pz)，根據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式（1）、式（2）中，GVA為等效靜陣風(fēng)順橋向系數(shù)，取1.29；GVT為等效靜陣風(fēng)橫橋向系數(shù)，取1.16；U10為10 級風(fēng)速；ρ 為空氣密度；Z 為主塔寬度；β 為對應(yīng)的風(fēng)力偏角；CDX為拉索順橋向阻力系數(shù)；CDZ為拉索橫向阻力系數(shù)；B 為主梁體寬度；H 為主梁體高度。

5 結(jié)語

本文通過對橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法研究得出以下結(jié)論：

1）對橋梁基本設(shè)計(jì)理念進(jìn)行分析介紹，更好地為橋梁后期設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹橋梁地震、風(fēng)作用下所采用的方法，本文主要采用靜力法、反應(yīng)譜法、位移計(jì)算法3 種計(jì)算方法，并對各個(gè)計(jì)算方法優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。根據(jù)橋梁計(jì)算分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及地震影響橋梁安全性分析，通常采用反應(yīng)譜結(jié)合靜力計(jì)算的方法進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。

2）本文以工程實(shí)例為依托，對地震作用下橋梁的受力特點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，并采取了有效的工程措施，以減小地震作用對橋梁的影響。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，采用黏滯性阻尼器和滑動(dòng)摩擦支座對抵抗地震作用的效果更好。

3）在橋梁工程實(shí)例中，對風(fēng)荷載作用影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的理論方法進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，對實(shí)際工程中橫橋向、順橋向風(fēng)荷載作用的計(jì)算方法進(jìn)行了闡述，以便更好地為橋梁風(fēng)荷載計(jì)算提供完整的理論計(jì)算基礎(chǔ)，為后續(xù)更多的待建斜拉橋的風(fēng)荷載作用計(jì)算提供參考。