桥梁工程抗震设计相关问题

摘 要：目前桥梁工程抗震的研究问题是当今热点问题,本文在分析桥梁结构地震破坏的主要形式基础上,阐述了桥梁抗震设计原则,最后对于桥梁抗震设计方法进行分析,重点探讨了桥梁抗震概念设计、桥梁延性抗震设计、地震响应分析及设计方法的改变以及多阶段设计方法等内容.本文主要探讨了桥梁工程抗震设计相关问题,为今后桥梁设计起到借鉴作用.

关 键 词：桥梁工程；抗震破坏；抗震设计

1.桥梁结构

根据桥梁过去的地震破坏情况,除了如液化、断层等凼地基失效引起的破坏以外,混凝上桥梁最常见的破坏形式有以下四种：

1.1弯曲破坏.结构在水平地震荷载作用下由于过大的变形导致混凝土保护层脱落、钢筋压屈和内部混凝土压碎、崩裂,结构失去承载能力.整个过程可以用以下四个阶段来描述：①当弯矩达到开裂强度时,截面出现水平弯曲裂缝；②随着裂缝的发展和荷载强度的提高,受拉侧的纵筋达到屈服强度；③随着变形量的增大,混凝土保护层脱落、塑性铰范围扩大；④钢筋压屈（或拉断）和内部混凝土压碎、崩裂.

1.2剪切破坏.在水平地震倚戟作用下,当结构受到的剪切力超过截而剪切强度时发生剪切破坏,整个破坏过程可以用以下四个阶段来描述：①截血弯矩达到开裂强度时,截面出现水平弯曲裂缝；②随着裂缝的发展和荷载强度的提高,柱内出现斜方向的剪切裂缝；③局部剪切裂缝增大,箍筋屈服导致剪切裂缝进一步增长；④发生脆性的剪切破坏.

1.3落梁破坏.当梁体的水平位移超过梁端支撑长度时发生落梁破坏.落梁破坏是由于梁与桥墩（台）的相对位移过大,支座丧失约束能力后引起的一种破坏形式.发生在桥墩之间地震相对位移过大、梁的支撑长度不够、支座破坏、梁间地震碰撞等情况.

1.4支座损伤.上部结构的地震惯性力通过支座传到下部结构,当传递荷载超过支座设计强度时支座发生损伤、破坏.支座损伤也是引起落梁破坏的主要原因.对于下部结构而言,支座损伤可以避免上部结构的地震荷载传到桥墩,避免桥梁发生破坏.

2.桥梁抗震

合理的抗震设计,要求设计出来的结构在强度、刚度和延性等指标上有最佳的组合,使结构能够经济的实现抗震设防的目标.要达到这个要求,就需要设计工程师深入了解对结构地震反应有重要影响的基本因素,并具有丰富的经验和创造力,而不仅仅是按规范的规定执行.

2.1抗震措施

2.1.1避开不良地质

首先要做好桥址选择和调查工作,除了解区域性的地震烈度外,还应考虑局部地区地形、地貌、地质条件对桥梁震害的影响,以便为采取抗震措施提供依据.在发震、断裂地段及其邻近地段,以及可能发生大规模滑坡、崩塌等不良地质地段,建桥选址时应尽量避开.

软弱粘土层、可液化土层和地层严重不均一地段,地形陡峭、孤突、岩土松散、破碎的地段,地震时可能塌陷的暗河、溶洞等地段,也应尽可能避开.

2.2桥梁结构本身的减振技术

2.2.1在地震区建桥,桥的构造上应选择形状简单、自重轻、重心低、结构紧凑、整体性好、刚度均匀、抗扭刚度大、各部联结可靠的形式,并加强桥梁上部结构和下部结构的联结部位,以防落梁.地震区桥梁以按等跨布置为好,桥墩应避免承受侧向土压力.桥台宜用T型或U型.墩台设置宜在比较稳定的河床上,墩台基础埋置要加深些,以减少地面波的影响及自由振动的振幅,有利抗震.

2.2.2隔震就是隔离地震对结构的作用,其基本思想是,将整个结构物或其局部座落在隔震支座上,通过隔震层装置的有效工作,消弱上部结构与基础间的联系,牵制和减少地震波向上部结构的输入,并控制上部结构地震作用效应和隔震部位的变形,改变结构系统的动力特性,避免共振现象的发生,从而减小结构的地震响应,提高桥梁的抗震安全性.

2.3.3消能减振技术

消能减振结构是将结构中的某些非承重构件设计成耗能元件,或在结构的某些部位设置专门设计的消能阻尼器来吸收和耗散地震能量,以减小结构振动响应的一种新型耗能结构.其分类有：

消能构件：主要有消能支撑、消能阻力墙、消能节点等.

消能阻尼器：

第一,金属阻尼器.在地震作用下,金属阻尼器在结构发生塑性变形前首先发生屈服,以耗散大部分地面运动传递给结构的振动能量.

第二,摩擦阻尼器.此种阻尼器在主要结构构件屈服前的预定荷载下产生滑移或变形,依靠摩擦或阻尼耗散地震能量.

摩擦阻尼器作为一种耗能装置,因其耗能能力强,荷载幅值与频率对其性能影响不大,且构造简单,取材容易,造价低廉,而具有良好的应用前景.

第三,粘弹性阻尼器.粘弹性阻尼器是通过粘弹性材料的滞回耗能来耗散结构的振动能量,以达到减小结构动力反应的目的.

第四,粘滞性阻尼器.粘滞性阻尼器一般由缸体、导杆、活塞、阻尼孔和粘滞流体阻尼材料等组成,活塞在缸体内作往复运动,活塞上有适量小孔成为阻尼孔,缸筒内装满粘滞流体阻尼材料.当活塞与缸筒之间发生相对运动时,由于活塞前后的压力差使体阻尼材料从阻尼孔中通过,从而产生阻尼力,达到耗能的目的.

2.3.4主动、半主动控制技术

结构振动主动控制是根据实测的结构动力反应或环境干扰,按主动控制算法获得最优主动控制力,并由外部能源驱动主动控制装置施加在与结构振动方向相反的控制力来实现结构控制的.主动控制装置有：主动质量阻尼器、主动调谐质量阻尼器、主动拉索控制器和主动支撑系统等.

3.桥梁结构中的施工

对于大型结构的桥梁而言,主动控制需要很大的能量转变为控制力,在工程应用中尚有一定的难度,而半主动控制以参数控制为主,只需要少量的能量调节即可对结构施加控制力.半主动控制装置有：半主动变刚度装置、半主动变阻尼装置、半主动TMD/TLD、变摩擦阻尼装置、可控流体阻尼器等.

在桥梁结构中我们应认识到,尽管在主动与半主动控制领域已取得重大发展,但现在仍处在研究和发展阶段,仍需要在实际桥梁结构中的实施和应用.在施工方面：

3.1在桥梁施工方面首先遵照设计按图施工,但有些设计方对该地区地震判断不够准确,设计抗震强度不足.所以施工方必须详细了解桥梁建设地区存在的地震分布情况及地震烈度,查看设计是否满足要求,如不能达到,则必须提出设计变更.

3.2施工中的桥梁的钢筋加工,设计有抗震的桥梁所采用的钢筋加工与非抗震桥梁加工是不一样的,所以施工技术人员一定要详细查看图纸,严把钢筋加工质量关.

3.3桥梁上预留抗震锚栓及锚栓孔一定要按图制作,如在施工时梁板的锚栓及锚栓孔对应不一致时一定要采取相应的补救措施,让抗震锚栓起到应有的作用.

3.4支座及阻尼器的选用一定要严格按照设计要求采购,并对采购的支座及阻尼器要按批次按频率送检,送检合格后方能用于施工现场.

4.结束语

近几年来,随着烈度的增高,桥梁的破坏程度增大,尤其在X以上的高烈度区,各种震害类型的桥梁破坏都很严重.桥梁的建造年代对桥梁的震害有很大的影响,随着桥梁抗震理论的发展,桥梁的抗震性能也越来越好,近20年设计建造的桥梁相比早些年代建造的在强震作用下,震害较轻,再一次说明进行桥梁抗震设计、施工的必要性.梁式桥有简支梁桥和连续梁桥之分,不同的桥梁结构体系,桥梁震害特点有明显差异.特定环境导致的次生地质灾害对桥梁破坏影响很大,这点在汶川大地震中表现尤为突出,应该给予关注.