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    橋梁抗震設計原理分析

     論文欄目:地震分析論文     更新時間:2018/10/30 16:38:16   

    【摘要】地震作為我國主要的自然災害類型,一旦發生就可能造成極大的破壞,道路橋梁是抗震救災的重要通道,必須具備較強的抗震性能。論文以橋梁抗震設計為分析對象,分析了橋梁震害的主要表現形式與成因;從靜力法、反應譜法與動態時程分析法3個層面闡述了橋梁抗震設計的基本原理;就橋梁抗震設計方法與設計要點展開討論,以期為橋梁工程的抗震設計水平提升貢獻力量。

    【關鍵詞】橋梁;抗震性;設計方法;設計要點

    1引言

    自然災害的突發往往會給當地的社會和人們生命財產安全帶來重大破壞,尤其是地震災害。為滿足抗震要求,橋梁工程在最初設計時必須綜合考慮當地的地質水文條件,將抗震性能作為衡量橋梁工程建設質量的重要指標。反之,若橋梁工程在方案設計與具體建設過程中忽視抗震性能,或是抗震性較弱,必然會導致橋梁難以抵抗地震災害的損傷,發生坍塌或斷裂。下面就圍繞橋梁抗震設計方法與要點展開論述。

    2橋梁震害的表現形式與原因

    2.1橋梁震害的表現形式

    根據理論知識與以往我國相關的地震災害實踐可知,橋梁工程受到地震損害的表現形式主要包含5種類型:(1)橋臺震害,主要是指橋梁的橋臺在地震中受到損害,橋臺的位置與工程建設的路基離開了原有位置,發生了位置偏移,支撐橋臺的各個樁柱也會逐步發生偏離或傾斜,甚至直接產生大裂縫或斷裂。若橋臺類型屬于重力式,由于受力不均勻,胸墻即會形成裂縫,橋臺的臺體逐步開始向河流下沉降。(2)橋墩震害,是指橋梁的橋墩在地震中受到損害,產生位置的偏離、傾斜、沉降與大量裂縫等問題,處于荷載邊緣處的混凝土因承受力不足而發生崩潰,隨著混凝土的逐步剝落,其內部的鋼筋開始顯現甚至隨著橋墩傾斜而發生彎曲。橋墩與橋梁路基的相連位置也會形成大范圍的裂縫與斷裂等現象。(3)支座震害。支座是橋梁工程抗震設計時容易被忽視的位置,因此,也是橋梁在地震災害中易受損害的部位,若并未對橋梁支座設置專門的連接構造和支擋等措施,很大程度上就會導致支座的位置偏移與結構變形。(4)梁的震害。橋梁的主梁是其關鍵性的構成部分,一旦發生損傷就可能危及整個橋梁工程的安全。最嚴重的表現形式是主梁墜落。(5)地基與基礎震害。地震中,橋梁地基與基礎可能受到底層移動、不均勻下沉甚至是斷裂等破壞,這一危害一旦產生就很難再回復重建,地基是整個橋梁工程的支撐構件,若受震嚴重則可能引發整個橋梁的斷裂、坍塌[1]。

    2.2橋梁震害的主要原因

    地震是一種瞬時發生且破壞性極強的自然災害,其對于橋梁可能造成的損傷也是復雜的。橋梁的各個部件緊密相連,彼此相關,因此,引發橋梁震害的原因也有多個方面,主要包括:(1)橋臺或橋墩發生重心偏移或裂縫、斷裂現象,喪失了原有的支撐性和穩定性;(2)砂上液化和地基失效,地基是橋梁結構得以存在的基礎,地基失效必然引起整個橋梁的松動甚至倒塌;(3)地震帶來的連續作用力,使得橋臺、橋墩以及支座等發生偏移,甚至相互碰撞,加重了橋梁的損害;(4)橋梁設計時存在結構不合理、不同部件之間缺乏有效的連接設施等問題,這均可在一定程度上影響其抗震性能。

    3橋梁抗震設計原理

    橋梁抗震設計是以一定的假設條件為基礎進行計算的,雖然分析手段有所提高、理論有所完善,但是復雜的地震作用、橋梁結構體系本身的復雜性和地基影響的復雜性都會導致理論計算結果和實際受力產生較大偏差。

    3.1靜力法

    目前,我國多采用理論假設的方法對橋梁的抗震性能進行分析評估,靜力法是較為常見的理論假設之一。靜力法主要是指設計者將地震發生時所形成的震動與橋梁結構的各個部件的振動設計為完全一致,忽視其他相對微小因素的影響,尤其是橋梁結構體所具有的動力特點,如此一來,橋梁結構抗震設計者就可以把動力問題向靜力計算轉變,降低問題的復雜度。然而,對于現實橋梁的振動與地震振動來說,二者保持一致幾乎是不存在的,除非橋梁能夠達到絕對剛性的要求。因此,這種分析理論具有較強的限制性,多適用于具有極大剛度值的橋梁工程[2]。

    3.2反應譜法

    伴隨著科學技術的不斷進步,反應譜法開始成為我國橋梁工程進行抗震性能設計的主要方式,廣泛應用于公路橋梁與鐵路橋梁的建設中。與靜力法不同,反應譜法的應用原理是對橋梁結構體實施針對性的動力特點分析,通過一系列的試驗得出相關數據,重點包含橋梁結構振動的固有頻率和主振型等。然后,針對橋梁的不同部件的主振動應用譜曲線明確其最高強度的振動記錄,繼而對其可承受的最高級別的地震進行分析評估。

    3.3動態時程分析法

    相比上述2種理論方法而言,動態時程分析法形成較早,其最早起源于1960年,在有限元分析法與計算機分析法產生的基礎上形成。動態時程分析法的操作原理主要是將大型橋梁結構針對性地分成幾個節點,然后在此基礎上構建出多自由度的結構有限元動力分析模型,再在計算時加入地震發生時候形成的激振,即地震災害發生時產生加速度的時程。最后,根據將已經形成的計算模型輸入計算機,通過計算機程序來精準地求解結構反應時程。動態時程分析法具有較強的技術性與復雜性,以構建模型的方式呈現出較高的精準性,具有較好的發展前景與應用范圍。

    4橋梁抗震設計的要點

    地震災害雖然具有一定的多發性,但是其發生時間不定,很多時候均是瞬時間發生的,呈現出較強的不確定性和復雜性。橋梁的設計工作者在對其結構類型和施工方案進行綜合設計時,必須綜合分析來自多個層面的因素,如國家工程建設標準、國家橋梁工程抗震性能要求、橋梁應滿足的功能、橋梁的外在形象與靜力因素等。與此同時,設計工作者還必須注重橋梁整體結構中的薄弱部位,尤其是橋墩的結構、主梁與橋墩的連接位置、橋梁上部位與路基的連接位置等。除此之外,橋梁建設的外在環境也是影響橋梁結構設計是否具有科學性、恰當性與可行性的重要因素,因此,也必須將外在施工環境納入分析范圍,以針對性地選擇出最合適的抗震性能和橋梁結構。待橋梁設計方案基本完成以后應針對性地開展抗震性能檢測,測試該方案下的橋梁結構能夠承受的地震災害等級,通過測驗結構不斷地修正和調整方案設計[3]。不同部位的橋梁結構抗震性設計應使用不同的方法,具體如下:1)設計人員從宏觀層次上設計整個橋梁的抗震性能時,應針對橋梁結構的延性變形、整體穩定性以及結構強度等內容實施多級別的設防方法,以保證不同部件、不同情況下都能達到預期的抗震能力。2)若設計對象是普通的簡單化支架橋梁,其結構設計應注重橋面的連續性,同時,還應注重適當地加寬路橋表面,從而有效避免發生地震時主梁的嚴重偏離與墜落。與此同時,還應針對橋梁結構中的橋墩位置、支座等實施一定的加寬和加固操作,添加可有效抵制位移的擋板。若橋梁結構選用橡膠支座,設計人員在進行抗震性能設計時還必須增加防止位移的鋼板,以增加橋梁支座的穩定性和牢固性。3)若針對位于地震帶上的橋梁進行抗震性能設計,則必須設置具有相等的跨度大小且每個跨度內橋墩具有一致的剛度。如果橋梁結構的跨度分布不均勻,各個橋墩的剛度值也不相同,則必然會使得橋梁結構的重心偏移,在地震災害中極易被損傷。若不同的橋墩具有差距較大的高度,此時,設計人員應適當地調整橋墩頂部位置的支座大小,并使用套筒方法來維持各個橋墩的剛度一致。需要注意的是,地震帶上的橋梁結構跨度應保持在合適的范圍內,切忌不能過長,若跨度過長會增大橋墩的軸向力,反而減少了其應具有延性力[4]。4)針對抗震設防烈度較高區域的橋梁抗震性能設計來說,設計工作者必須注重消能裝置的設計與安裝,通常情況下,這種裝置多添加在橋梁的縱向,如為了保證橋梁結構在地震災害中的完整保留,可裝置減、隔震支座,同時,也可以在橋梁結構體與橋墩的相連位置增加結構的柔性、阻尼等,以促進橋梁結構的重力平均分布在各個橋墩之上、降低水平方面的橋梁荷載。5)針對拱橋抗震性能的設計,設計工作者應緊密結合拱橋自身所具有的特征。與其他類型的橋梁相比,拱橋對于支座的水平位移具有較強的敏感性,同時,若橋梁兩邊的橋臺產生了不一致的激振,即會引發橋梁結構較嚴重的偽靜力反應,所以,位于地震多發區域的拱橋橋墩基礎必須建設在同一個場地之內,以在最大程度上實現各個橋梁支座的同步激振。

    5結語

    總之,作為抗震救災通道的道路橋梁設計至關重要,其必須符合國家相關標準且具有高強度的抗震性能。目前,我們依然無法精準地預測地震的發生,必須做好防范措施,而不是事后改進。橋梁設計應緊密結合當地的地質水文條件和抗震級別要求,注重橋梁結構體、橋墩、主梁、跨度以及不同部位連接處的綜合設計,掌握設計要點,進而提升橋梁設計的質量。

    【參考文獻】

    【1】袁騰文.淺談公路橋梁的防震設計[J].工程技術,2010(3):102-103.

    【2】張文澤.道路橋梁結構設計要點分析[J].黑龍江科技信息,2013(12):112-113.

    【3】郭穆春.公路橋梁抗震設計存在的問題及改進[J].黑龍江交通科技,2014(8):98-99.

    【4】王硯田,覃永明.橋梁震害分析與抗震設計[J].交通標準化,2006(10):76-77.

    作者:付偉 單位:衡水市公路勘測設計所

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