雙圓柱墩橋梁抗震設(shè)計(jì)方法探析

王林飛

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

抗震設(shè)計(jì)是橋梁工程設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要內(nèi)容，設(shè)計(jì)的合理性會(huì)對(duì)橋梁工程的整體質(zhì)量造成直接影響。因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮橋梁工程防震目標(biāo)，確保最終設(shè)計(jì)的合理性。

1 橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

1.1 靜力法

靜力法就是將橋梁工程質(zhì)量與地震加速相乘產(chǎn)生的慣性力作為作用在結(jié)構(gòu)上的外力，完成外力抗震設(shè)計(jì)。靜力法是橋梁抗震設(shè)計(jì)最早使用的一種方法，該方法對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，內(nèi)容簡(jiǎn)單，計(jì)算容易，理解難度小。需要相關(guān)工作人員注意的是，該方法要建設(shè)在橋梁結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分在地震時(shí)都不會(huì)發(fā)生變形基礎(chǔ)上，橋梁工程結(jié)構(gòu)需要具有無(wú)窮大剛度，只有這樣，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，才能忽略發(fā)生地震之后橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，這也就導(dǎo)致該方法在具體應(yīng)用期間，經(jīng)常會(huì)得到錯(cuò)誤結(jié)果[1]。而以靜力法為基礎(chǔ)，提出了震度法，該方法在具體應(yīng)用施工時(shí)，將橋梁結(jié)構(gòu)重力10%作為地震水平荷載[2]。

1.2 反應(yīng)譜法

隨著人們對(duì)地震運(yùn)動(dòng)研究的不斷深入，加強(qiáng)了對(duì)地震波的觀測(cè)，開(kāi)展了相應(yīng)分析工作，科研人員在對(duì)橋梁工程抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮動(dòng)力特性做法顯然不合實(shí)際的，在此背景下，反應(yīng)譜法逐漸發(fā)展起來(lái)，而且得到了人們的關(guān)注。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)遭受到多個(gè)方面地震作用影響時(shí)，進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)采用反應(yīng)譜法，需要綜合考慮不同方向地震作用相互組合[3]。目前，橋梁抗震設(shè)計(jì)人員要通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行應(yīng)用，將不同方向地震作用組合到一起。

采用反應(yīng)譜法能夠靈活地將橋梁工程的結(jié)構(gòu)動(dòng)力問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)靜力問(wèn)題，方法應(yīng)用起來(lái)簡(jiǎn)單，理解容易，而且需要較少時(shí)間和計(jì)算，從而獲取到較為精準(zhǔn)的結(jié)果。需要注意的是，反應(yīng)譜法應(yīng)用也存在一定缺陷，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）反應(yīng)譜法只適合應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)下，只有在這一狀況下，采用反應(yīng)譜法才能保證最終設(shè)計(jì)的橋梁工程穩(wěn)定性，避免發(fā)生地震時(shí)，橋梁工程遭受到毀滅性破壞。

（2）采取反應(yīng)譜法無(wú)法精準(zhǔn)體現(xiàn)橋梁工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的真實(shí)反應(yīng)過(guò)程，其只能夠得到地震作用下橋梁工程的反應(yīng)最值。

（3）如果橋梁工程結(jié)構(gòu)遭受到不同方面地震作用影響，若采取反應(yīng)譜法，需要考慮振型組合問(wèn)題，只有這樣才能保證最終設(shè)計(jì)的合理性。

1.3 時(shí)程分析法

該方法在具體應(yīng)用期間，能夠采取輸入適合地震加速度，采用多節(jié)點(diǎn)度、多自由結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建振動(dòng)方程，采取逐步積分方式對(duì)方程進(jìn)行求解，從而獲取到各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的具體反應(yīng)特性值，針對(duì)橋梁工程由開(kāi)裂到破壞整個(gè)過(guò)程受力具體情況的分析，獲取到相應(yīng)數(shù)據(jù)。從大量橋梁工程抗震設(shè)計(jì)情況來(lái)看，時(shí)程分析方法應(yīng)用起來(lái)要比反應(yīng)譜法更加準(zhǔn)確，但是，時(shí)程分析方法應(yīng)用時(shí)，計(jì)算起來(lái)更加復(fù)雜，地震運(yùn)動(dòng)速度輸入具有不確定性，而且會(huì)消耗大量時(shí)間，這也就使該方法主要作為反應(yīng)譜法的校核與補(bǔ)充。

1.4 功率譜法

該方法在具體應(yīng)用期間就是將地震作為一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的隨機(jī)過(guò)程，利用平穩(wěn)功率密度函數(shù)，完成對(duì)地震運(yùn)動(dòng)情況描述的一種抗震設(shè)計(jì)方法。功率譜法通過(guò)應(yīng)用地震運(yùn)動(dòng)加速度平穩(wěn)功率譜，完成對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析，進(jìn)而達(dá)到橋梁工程結(jié)構(gòu)平穩(wěn)功率譜方程和密度函數(shù)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)方程和函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用，完成對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)在地震情況下，發(fā)生的最大位移值的計(jì)算。與反應(yīng)譜法相比，功率譜法適合解決不同地面各個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)生地震之后，運(yùn)動(dòng)各不同的問(wèn)題，需要注意的是，該方法不適合在結(jié)構(gòu)非線性分析中應(yīng)用。

2 Pushover 方法在雙圓柱墩橋梁抗震設(shè)計(jì)的應(yīng)用

2.1 Pushover 方法原理

Pushover 方法是雙圓柱橋墩抗震設(shè)計(jì)中一項(xiàng)先進(jìn)方法，該方法在具體應(yīng)用期間，就是對(duì)結(jié)構(gòu)施加水平力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析，是一種非線性方法。該方法的主要原理就是依據(jù)橋梁工程具體情況，向結(jié)構(gòu)分析模上施加外力，再依據(jù)規(guī)律向結(jié)構(gòu)分析模型上施加遞增側(cè)向荷載，從而讓橋梁工程結(jié)構(gòu)可以從彈性狀態(tài)朝著塑性狀態(tài)方向轉(zhuǎn)變，此時(shí)，結(jié)構(gòu)分析模型控制點(diǎn)位移會(huì)隨著時(shí)間推移不斷加大，直到控制點(diǎn)位移達(dá)到設(shè)定的位移目標(biāo)為止。設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)Pushover 方法的應(yīng)用，能夠依據(jù)達(dá)到目標(biāo)位移時(shí)模型的具體狀態(tài)情況，完成對(duì)橋梁工程中各項(xiàng)結(jié)構(gòu)的分析，確定最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗震性能夠達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 Pushover 方法的假設(shè)

隨著人們對(duì)橋梁工程抗震設(shè)計(jì)研究的不斷深入，Pushover方法得到了廣泛應(yīng)用，特別是在雙圓柱橋墩抗震設(shè)計(jì)中取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。但是，從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，Pushover 方法理論基礎(chǔ)還存在一定不合理之處，這對(duì)其應(yīng)用造成了一定約束。針對(duì)Pushover 方法應(yīng)用，要基于下列假定開(kāi)展：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)第一振型直接決定了結(jié)構(gòu)地震的具體反映情況。

（2）橋梁工程結(jié)構(gòu)在高度方向發(fā)生變形情況，要由在發(fā)生地震之后，橋梁結(jié)構(gòu)地震作用不變形狀向量進(jìn)行表示。

在對(duì)Pushover 方法進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，要以上述假定為基礎(chǔ)開(kāi)展，能夠轉(zhuǎn)變橋梁工程中的多自由度結(jié)構(gòu)，使其變?yōu)閱巫杂啥冉Y(jié)構(gòu)。從具體情況來(lái)看，多數(shù)橋梁工程結(jié)構(gòu)的第一階振能夠精準(zhǔn)體現(xiàn)橋梁工程結(jié)構(gòu)遭遇到地震時(shí)的具體反應(yīng)。由此可見(jiàn)，在基本假定范圍內(nèi)，采用Pushover 方法開(kāi)展結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是合理的。

2.3 Pushover 方法的具體實(shí)施步驟

在雙圓柱墩橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用Pushover 方法，為了保證最終設(shè)計(jì)的合理性，要采取下列步驟實(shí)施：

（1）依據(jù)橋梁具體情況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型建設(shè)，在該過(guò)程中，要選擇與實(shí)際情況相符的便捷條件，將塑性鉸設(shè)置在容易出現(xiàn)變形的部位。

（2）根據(jù)具體情況，向模型結(jié)構(gòu)施加自重，同時(shí)將上部結(jié)構(gòu)的荷載在豎向方向上完成傳輸。

（3）針對(duì)橋梁工程的模型結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行分析，明確側(cè)向加載模式，向結(jié)構(gòu)施加水平方向荷載，荷載要為單調(diào)遞增，而且要采用第一振型精準(zhǔn)表示橋梁工程結(jié)構(gòu)遭受到地震后的反應(yīng)。

（4）計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)模型上部結(jié)構(gòu)在豎直方向上傳遞的荷載、模型自重以及側(cè)荷載作用，從而明確結(jié)構(gòu)是否已經(jīng)處于屈服狀態(tài)進(jìn)行。

（5）重復(fù)步驟（1）～（4），直到最終加載結(jié)構(gòu)塑性鉸發(fā)生屈服為止。

（6）對(duì)獲取到的成果進(jìn)行整理，通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行應(yīng)用，獲取到結(jié)構(gòu)基地剪切和控制位移間關(guān)系曲線，依據(jù)最終整理成果，完成結(jié)構(gòu)抗震性能分析。

3 結(jié)語(yǔ)

地震是一項(xiàng)無(wú)法預(yù)測(cè)的自然災(zāi)害，其會(huì)對(duì)人們的財(cái)產(chǎn)和生命造成威脅，強(qiáng)烈地震不僅會(huì)導(dǎo)致建筑倒塌，引發(fā)交通癱瘓，更可能對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成影響。因此，必須要做好橋梁抗震設(shè)計(jì)，提高橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為人們提供良好交通環(huán)境。