橋梁抗震研究綜述

蔡子健

【摘 要】 橋梁的抗震能力是衡量橋梁是否合乎規(guī)范的重要標(biāo)準(zhǔn)，是橋梁發(fā)揮正常職能的重要條件。本文充分研究以前所發(fā)表的橋梁方面的研究成果，對(duì)當(dāng)下發(fā)展較為完善的抗震研究進(jìn)展進(jìn)行綜合論述，提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)時(shí)橋梁的抗震標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行科學(xué)合理的展望。

【關(guān)鍵詞】 橋梁抗震 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 減隔震設(shè)計(jì)

一、引言

橋梁通常作為一條線路的重點(diǎn)控制工程而建設(shè)，作為路線的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，一旦損壞甚至垮塌，將直接使所在路線癱瘓，其重要性不言而喻。如何使橋梁正常行使工程職能，尤其是對(duì)抗極端條件的能力，是橋梁設(shè)計(jì)師要考慮的頭等問(wèn)題。地震作為常見自然災(zāi)害之一，也是工程師要考慮的不利因素。地震具有突然性、破壞性強(qiáng)、破壞面廣等特點(diǎn)。如果不進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，橋梁可能無(wú)法抵御災(zāi)害的破壞而失去使用職能。1976年的唐山大地震造成的破壞震驚了世界，也給橋梁研究人員提出了新的課題。在國(guó)家大力支持下，幾十年來(lái)，我國(guó)的橋梁抗震研究碩果累累，已經(jīng)基本和國(guó)外同行站在了同一起跑線上。

二、 橋梁震害破壞機(jī)理

經(jīng)過(guò)對(duì)受震害破壞的橋梁進(jìn)行損傷識(shí)別分析，發(fā)現(xiàn)由于橫向地震波使橋梁各部位之間擠壓碰撞而受到破壞是橋梁震害產(chǎn)生的重要原因。眾所周知，橋梁是由各部分連接組合而成的，連接部位如支座、橫向鉸等，當(dāng)橋梁受到強(qiáng)烈的橫向力時(shí)，梁會(huì)發(fā)生橫向移動(dòng)，擠壓碰撞相鄰的梁，連接部位受到破壞，橋面鋪裝碎裂，橋臺(tái)受到撞擊而破壞，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致落梁，使橋梁失去交通功能。另外，地震會(huì)使地基土松動(dòng)，破壞基礎(chǔ)而失去承載作用。

三、橋梁抗震研究現(xiàn)狀

基于地震對(duì)橋梁的破壞機(jī)理，結(jié)合橋梁自身特點(diǎn)，對(duì)橋梁抗震的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

3.1橋梁混凝土材料損傷本構(gòu)模型。對(duì)混凝土材料的研究是橋梁研究的重要方面，對(duì)抗震來(lái)說(shuō)尤其如此。在現(xiàn)實(shí)中，在地震作用下，橋梁將受到強(qiáng)烈的外力擾動(dòng)，位移超出限值，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。根據(jù)混凝土材料的特點(diǎn)，建立兩種分別對(duì)應(yīng)彈性和彈塑性模式的本構(gòu)模型進(jìn)行分析。

對(duì)于彈性損傷本構(gòu)模型，Mazars博士通過(guò)引用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的兩個(gè)分別由受拉和受壓而得到的損傷變量建立了一個(gè)彈性損傷模型。對(duì)于彈塑性損傷本構(gòu)模型，即將混凝土視做同時(shí)會(huì)存在彈性變形和塑性變形的材料，基于此，Simo提出了基于連續(xù)損傷的應(yīng)力-應(yīng)變模型，Resender提出了純經(jīng)驗(yàn)的混凝土非彈性損傷本構(gòu)理論，吳建營(yíng)等引入損傷能釋放率的概念，這些模型對(duì)于研究混凝土材料在塑性破壞階段的損傷行為很有用處，但沒(méi)有除去材料因損傷而導(dǎo)致材料特性改變所造成的誤差，其結(jié)果與實(shí)際情況有所差別。

3.2 鋼筋混凝土橋墩抗震性能及分析模型。橋墩屬于橋梁基礎(chǔ)部分，主要受到壓力作用，抗壓性能較好，但在地震作用下，有時(shí)會(huì)受到剪力作用，或者塑性鉸損壞，甚至因?yàn)榈鼗练€(wěn)定性遭到破壞，橋墩傾斜而受到偏心壓力作用?；谶@些損傷形式，Prisestley通過(guò)研究低縱筋比圓形柱抗震性能的研究，建立了在軸力和彎曲相互作用下的橋墩抗震模型，精確的計(jì)算出了此種情況下橋墩的非線性性能。

3.3 橋梁結(jié)構(gòu)抗震分析理論和設(shè)計(jì)方法。基于位移的橋梁抗震設(shè)計(jì)理論以位移為設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)不同地區(qū)、不同安全等級(jí)，確定橋梁只能有某一區(qū)域內(nèi)的位移，據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。Kowalsky等第一次提出此設(shè)計(jì)方法，后來(lái)的橋梁工作者又對(duì)該理論進(jìn)行了一定的完善，建立了更為科學(xué)合理的理論。

基于性能的橋梁抗震設(shè)計(jì)理論要求橋梁要能承受一定程度的地震沖擊而不至于超出其允許的破壞程度，其主要思想概括起來(lái)即為：以最少的成本，達(dá)到最優(yōu)的抗震效果。依據(jù)橋梁的等級(jí)和所在線路的重要性，將其做一個(gè)重要性的劃分，據(jù)此決定其抗震等級(jí)。

3.4 橋梁減隔震技術(shù)。橋梁主要的減隔震設(shè)施就是減隔震支座，與普通支座的區(qū)別在于，它具有較好的韌性，能充分吸收地震力的能量，而不至于損壞，從而可以繼續(xù)起到支承作用。隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步和對(duì)地震破壞的充分認(rèn)識(shí)，橋梁工作者們已經(jīng)開發(fā)出一些性能良好、適用性廣的減隔震支座，歸結(jié)起來(lái)主要有以下兩類：（1）疊層鋼板橡膠支座;（2）滑動(dòng)摩擦類減震支座。

3.5 橋梁結(jié)構(gòu)易損性分析。結(jié)構(gòu)易損性為針對(duì)構(gòu)件在外力作用下達(dá)到或超過(guò)某一損傷程度的概率，對(duì)此研究的目的在于，需要知道某一類結(jié)構(gòu)在受到某一等級(jí)地震的破壞后的破壞特征，據(jù)此就可以有針對(duì)性的強(qiáng)化該結(jié)構(gòu)。評(píng)估結(jié)構(gòu)易損性需要做前期調(diào)查和數(shù)據(jù)處理，并相互對(duì)照，以取得較精確的結(jié)果。但此種分析方法仍然存在一些不足，如無(wú)法精確模擬地震破壞、橋梁受力特征還原不足、無(wú)法研究非規(guī)則橋梁、沒(méi)有考慮支座受拉的情況等。而由于現(xiàn)實(shí)情況的復(fù)雜性，目前尚未研究出如何利用這些結(jié)果來(lái)優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)。

四、結(jié)論

抗震設(shè)計(jì)作為橋梁安全設(shè)計(jì)的重要組成部分，在經(jīng)過(guò)多年的案例分析和學(xué)術(shù)研究之后，已形成較成熟完備的理論體系，并運(yùn)用到了實(shí)際工程中，取得了較好的預(yù)期結(jié)果。但還應(yīng)該看到，由于技術(shù)和認(rèn)知的限制，我們的抗震設(shè)計(jì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不能取得完美的結(jié)果，只能在一定程度上減小地震帶來(lái)的財(cái)產(chǎn)損失、人身安全和日常生活的干擾，而這也成為我們繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)攻關(guān)的動(dòng)力和橋梁學(xué)術(shù)研究前進(jìn)的動(dòng)力。

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