城市橋梁抗震設(shè)計探討

張路

摘 要：地震發(fā)生會導(dǎo)致城市基礎(chǔ)設(shè)施以及橋梁倒塌破壞，會造成城市交通生命線的中斷，阻礙了救援，損失了經(jīng)濟(jì)。為了能夠建立安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的抗震設(shè)計，文章首先介紹了橋梁抗震設(shè)計理論以及既有橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究，并提出了橋梁減隔震技術(shù)。

關(guān)鍵詞：城市橋梁;抗震設(shè)計;減隔震技術(shù)

0 引言

由于我國地處太平洋地震帶與亞歐地震帶之間，地震相對而言更為頻發(fā)。地震作用會導(dǎo)致城市的基礎(chǔ)設(shè)施受到損壞，橋梁出現(xiàn)裂縫甚至倒塌，造成城市交通生命線的中斷，增大了災(zāi)區(qū)救援的難度。地震的作用還會引發(fā)一系列的次生災(zāi)害，經(jīng)濟(jì)會由此受到巨大的損失[1]。地震對橋梁所造成的病害主要可以分為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、連接構(gòu)件等方面的失效和破壞。為了能夠削弱降低大地震對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，減小破壞，需要加強(qiáng)對橋梁抗震設(shè)計的研究，建立安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的抗震設(shè)計。

1 橋梁抗震設(shè)計理論

1.1 基于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的抗震設(shè)計方法

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的不同，能夠?qū)⒖拐鹄碚搫澐譃殪o力、反應(yīng)譜、動力理論等。靜力理論中結(jié)構(gòu)物被假定為絕對剛性體，結(jié)構(gòu)的動力特性反而被忽略，結(jié)構(gòu)破壞的因素僅僅只是考慮了地震加速度，其局限性相對而言更大，對于重力式的橋臺、路基可以通過靜力法進(jìn)行簡化計算。反應(yīng)譜理論相比于靜力理論，其中考慮到了結(jié)構(gòu)的動力特性，但是其缺點(diǎn)是沒能夠考慮到時間效應(yīng)，地震力被當(dāng)做是靜力對待，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入了塑性狀態(tài)，應(yīng)力會被重新分布，但反應(yīng)譜法并未能夠考慮到此方面。而且該方法假定結(jié)構(gòu)中各個點(diǎn)的振動都是完全相同的，也沒能夠考慮到地震響應(yīng)的空間性[2]。動力時程分析法考慮了反映實際的復(fù)雜因素，彌補(bǔ)了反應(yīng)譜法的缺陷，但是該方法的計算量較大，也只有對于要求較高、計算精度較大的大跨徑橋梁中才應(yīng)用此方法。

1.2 基于性能的抗震設(shè)計方法

抗震方法還可以依照性能關(guān)系來進(jìn)行設(shè)計，其中性能主要包括了強(qiáng)度、位移、能量損傷等?；趶?qiáng)度的抗震設(shè)計方法，第一步需要對結(jié)構(gòu)的自振周期進(jìn)行估算，下一步需要對結(jié)構(gòu)彈性階段的地震力進(jìn)行計算，在這個計算過程主要是依據(jù)的設(shè)計加速度的反應(yīng)譜，之后需要選取折減系數(shù)來對地震力進(jìn)行折減得到結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段的地震力，最后結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計則可以根據(jù)結(jié)構(gòu)屈服力以及設(shè)計地震力來進(jìn)行確定。該方法的不足在于不能夠控制結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)以及經(jīng)濟(jì)損失?；谖灰频目拐鹪O(shè)計與強(qiáng)度相比，能夠更好的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，基于位移的抗震設(shè)計方法還可以細(xì)分為延性設(shè)計法、能力譜法、直接基于位移設(shè)計法等[3]?；谀芰考皳p傷設(shè)計方法原理較為明了，概念清晰，但是對于總能量的計算以及能量的耗散和分布方面還需進(jìn)行深入的研究。

2 既有橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究

橋梁抗震性能的設(shè)計中，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定是其中首先需要考慮的問題，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)具體還可以分為平均設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以及相對設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，平均設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)反映的是地震烈度區(qū)劃的問題等總體設(shè)防烈度的內(nèi)容，而相對設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)主要考慮的是抗震重要性系數(shù)的問題。而由于各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差距較大，而對于結(jié)構(gòu)抗震性能方面的要求也會有所不同。根據(jù)橋梁的上部結(jié)構(gòu)形式以及橋梁所處道路等級抗震設(shè)防分為四類，如下表1所示。

抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定還需要考慮到橋梁的重要程度、結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期、地震可能引發(fā)災(zāi)害、建設(shè)單位所能承受的經(jīng)濟(jì)能力。不同類別的橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3 橋梁減隔震技術(shù)

目前常應(yīng)用主動、被動以及混合等結(jié)構(gòu)性控制技術(shù)來提高橋梁的抗震性能。該控制技術(shù)的原理是在橋梁的某些特定部位安裝特定的控制裝置或者施加以外力作用調(diào)整結(jié)構(gòu)整體的動力特性以及動力作用，叨叨確保結(jié)構(gòu)安全的目的。在目前的橋梁設(shè)計中，減震技術(shù)作為被動控制技術(shù)的一種，應(yīng)用廣泛，通過在結(jié)構(gòu)中安裝特殊特制裝置，在出現(xiàn)強(qiáng)震時，減震裝置能夠比橋梁結(jié)構(gòu)先進(jìn)入塑性狀態(tài)，與此同時還會產(chǎn)生較大的阻尼，大部分的地震能量會被消耗或者削弱。而隔震技術(shù)就是應(yīng)用裝置來隔離結(jié)構(gòu)和地面，阻隔地震能量的傳入[4]。在實際的工程應(yīng)用中，通常將隔震技術(shù)與減震技術(shù)相互結(jié)合，更加有效的提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.1 橋梁減隔震設(shè)計的原則

并非在任何情況下均能夠采用減隔震技術(shù)，首先需要對橋梁的概況進(jìn)行分析，判斷其能夠達(dá)到應(yīng)用減隔震技術(shù)的原則以及條件，之后再結(jié)合橋梁的實際情況進(jìn)行抗震技術(shù)的設(shè)計。如果橋梁的基本周期較短、橋墩較長，應(yīng)用減隔震技術(shù)對于延長結(jié)構(gòu)的周期、削弱地震效應(yīng)非常有效。如若橋址區(qū)為巖石或者堅硬土，場地條件整體較好，則可以通過采用減隔震技術(shù)來盡可能的避開高頻地震動。對于橋墩高度差距較大且剛度不均勻的情況，通過采用減隔震技術(shù)使得各個橋墩的剛度能夠均勻的承受地震力。但是倘若橋址區(qū)軟土層較厚，應(yīng)用減隔震技術(shù)會加大地基與橋梁之間產(chǎn)生共振的幾率，而這種情況則不建議設(shè)置減隔震結(jié)構(gòu)。

減隔震技術(shù)的重點(diǎn)是提高結(jié)構(gòu)的耗能能力以及隔絕地震動，但是不應(yīng)該過分的追求延長結(jié)構(gòu)的周期。減隔震裝置通常設(shè)置在橋梁的墩頂處，一方面能夠有效的降低橋梁上部結(jié)構(gòu)的地震作用，另一方面還能夠保護(hù)下部的結(jié)構(gòu)。在工程實際中通常是將普通支座更換為減隔震支座，相對而言更為經(jīng)濟(jì)。

通過對橋梁減隔震技術(shù)的應(yīng)用，一方面能夠降低結(jié)構(gòu)所受到的地震作用，另一方面還能夠合理的調(diào)節(jié)橋墩之間的地震力分配。通過調(diào)節(jié)減震裝置的剛度就能夠合理的調(diào)整橋墩所承擔(dān)的地震作用力，能夠有效的避免剛度過大的橋段產(chǎn)生較大的地震作用力，此外還能夠減小基礎(chǔ)條件差的橋墩所承擔(dān)的地震作用力，讓橋梁結(jié)構(gòu)能夠更加均勻的受力。在橫向上，通過設(shè)置減隔震能夠?qū)蚨罩g的橫向剛度進(jìn)行協(xié)調(diào)，減小橋墩之間橫向位移的差異而產(chǎn)生的梁體扭轉(zhuǎn)。

3.2 常用的橋梁結(jié)構(gòu)減隔震裝置

隔震裝置通?？梢詣澐譃橄鹉z支座和滑動支座兩種。隔振裝置常用的包括鉛芯橡膠支座以及高阻尼橡膠支座，通過提供較大的柔度來延長結(jié)構(gòu)周期，同時還可以通過塑性形變來消散大部分的地震能量，同時可以具有隔震和耗能的效果。阻尼器也是隔震裝置的一種，通過來增大結(jié)構(gòu)阻尼，并耗散輸入結(jié)構(gòu)中的能量，阻尼器主要可以分為速度型、位移型以及其他類型。速度型阻尼器其工作原理是通過對液體或者膠泥中的流動阻力加以利用從而為結(jié)構(gòu)提供阻尼，能夠把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而來消散削弱能量。位移型阻尼器是通過材料的塑變來削弱地震能量;摩擦性阻尼器通過摩擦力做功對地震能量加以消耗。目前常用的間隔震裝置主要包括了鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、滯變型鋼支座、摩擦擺式支座、液壓阻尼器等。

4 結(jié)語

綜上，針對城市橋梁的抗震問題文章展開了簡略的分析，首先從基于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)以及基于性能兩個方面介紹了橋梁抗震設(shè)計的理論，然后闡述了既有橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究，最后提出了橋梁減隔震設(shè)計的原則以及常用的橋梁結(jié)構(gòu)間隔裝置。

參考文獻(xiàn)：

[1]周連緒，葉愛君，劉騰飛.城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計[J].土木工程與管理學(xué)報，2017，34（6）：121-125+140.

[2]石育銘.城市橋梁抗震設(shè)計探討[J].珠江水運(yùn)，2014（19）：86-87.

[3]韓鵬，王君杰，董正方.城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計中的關(guān)鍵問題[J].震災(zāi)防御技術(shù)，2010，5（1）：32-42.

[4]牛植田.城市匝道橋梁的抗震設(shè)計研究[J].黑龍江交通科技，2021，44（1）：81-83+87.