桥梁抗震综述

桥梁的抗震设计铁路桥梁、公路桥梁、城市高架桥等受到损坏，会使后续救助工作变得更加艰难。为了保障人民财产的安全路桥梁设施的完好，更好地发挥公路运输在抗震救灾中的作用，在桥梁设计中应充分重视抗震设计。该法在当前桥梁抗震设计中经常用到，桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性，以便在强震作用下使这些部位形成稳定的延性塑性铰产生弹塑性变形来延长结构周期、耗散地震能量。我国是一个多地震国家，地震灾害会使量地面建筑物和各种设施遭到破坏，造成大量人员伤亡，甚至严重地阻断交通。铁路桥梁、公路桥梁、城市高架桥等受到损坏，会使后续救助工作变得更加艰难。为了保障人民财产的安全及公路桥梁设施的完好，更好地发挥公路运输在抗震救灾中的作用，在桥梁设计中应充分重视抗震设计。1、桥梁震害现象分析二十世纪七十年代以来，国内外发生过一系列较大的地震，有许多桥梁遭受了不同程度的破坏。通过对这些震例进行调查研究，分析桥梁结构的抗震性能、震害特点及产生原因，可以总结出以下几点：地基与基础破坏地基破坏主要是指因砂土液化、不均匀沉降及稳定性不够等因素引起的地层水平滑移，下沉、断裂，进而导致结构物的破坏，震害较重。基础的破坏与地基的破坏紧密相关，当结构周围的地基受到地震作用强度降低时，基础就会发生沉降或滑移，桩基础可能发生剪断、倾斜破坏，进而引起墩台倾斜、倒塌或折断。桥台沉陷当地震作用下，由于桥台后填土与桥台并非完全固结，桥台填土的纵向土压力增大，桥梁与桥台之间的冲撞会产生相当大的被动土压力，使桥台有向桥跨方向移动的趋势。由于桥面的支撑作用，桥台将以桥台顶端为支点产生竖向旋转，从而导致基础破坏。若桥台基础建造在液化土上，则可能引起桥台垂直沉陷，最终导致桥台因承受过大的扭矩而破坏。墩柱破坏墩柱破坏主要包括弯曲强度不足、弯曲延性不足、纵筋搭接区的抗弯能力以及剪切强度不足等。墩柱的破坏往往引起连锁反应，如落梁、整个结构的倒塌等。支座破坏在地震力的作用下，如果上、下部结构的相对位移过大可能造成支座锚固螺栓拔出、剪断，活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等，导致结构力传递形式的变化，进而对结构的其他部位产生不利的影响。落梁破坏支撑连接构件失效后，上、下部结构的相对位移进一步加大，相邻梁体发生相互冲击，造成撞击破坏甚至落梁的发生。节点破坏节点区域钢筋大量相交，连接节点在地震荷载和重力荷载的作用下处于复杂而又变化的应力状态，常导致节点区域混凝土的压碎和锚固筋的破坏。盖梁破坏盖梁的破坏形式主要表现为抗剪强度不足或锚固筋不能满足抗拉要求，引起锚固端破坏。2、桥梁抗震设计方法采用隔震支座采用减、隔震支座在梁体与墩、台的连接处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应，采用减、隔震支座桥梁结构的梁体通过支座与墩、台相联结。在梁体与墩、台的联结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力。采用隔震支座和阻尼器相结合的系统。可以利用桥墩在地震作用下发生弹塑性变形耗散地震能量以达到减震的目的。利用桥墩延性减震。该法在当前桥梁抗震设计中经常用到，桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性，以便在强震作用下使这些部位形成稳定的延性塑性铰产生弹塑性变形来延长结构周期、耗散地震能量。采用减震的新结构。型钢混凝土结构是在混凝土上包裹型钢做成的结构，与钢筋混凝抗剪承载力强，延性好，滞回曲线较为饱满，耗能能力强，呈现出良好的抗震性能。能够隔离、吸收和耗散地震能量，减小桥梁结构的地震反应，使桥梁的变形限制在弹性范围，避免因塑性变形而造成的累积损伤破坏和永久残余变形，大大提高了桥梁结构的安全度还可节约材料，降低造价。地震响应分析及设计方法的改变。随着人们对地震动和结构动力特性理解的加深，目前已经发展了多种抗震设计理论和地震响应的分析设计方法。从地震动的振幅、频谱和持时三要素来看，抗震设计的静力理论只考虑了高频振动振幅的最大值；反应谱理论虽考虑了振幅和频谱，但持时则始终未能得到明确的反映；动力理论不但考虑了地震动的持时，而且还考虑了地震动中反应谱不能概括的其他特性。从组成结构抗震设计理论的四个方面内容(输入地震动、结构和构件的动力模型，一实用的地震反应分析方法，以及设计原则)来看，静力理论对四个方面都做了极大的简化，反应谱理论也做了较大的简化，而动力理论则有比较全面的考虑：动力理论的输入地震动要求给出符合场地情况的、具有概率含义的加速度时间函数，对于复杂结构要求给出三个分量及其空间相关性；结构和构件的动力模型更为接近实际，包括了非线性特性；地震反应分析方法考虑了结构反应的全过程，包括变形和能量损耗的积累；设计原则考虑到多种使用状态和安全的概率保证。多阶段设计方法。随着对地震产生机理、地震动特性以及地震作用下各类结构动力特性、破坏机理、构件能力研究认识的加深以及对结构在不同发生概率地震作用下预期性能目标的不同，促使结构设计在设计原则、设防水准等各个方面进行不断改进。由原来的单一设防水准一阶段设计逐渐改进为双水准或三水准两阶段设计、三阶段设计，以及多水准设防、多性能目标准则的基于结构性能的设计等。3、桥梁抗震设计原则⑴结合地形、地质条件、工程规模及震害经验，合理选择桥型及墩台、基础形式。⑵同一座桥中，尽量避免高墩与大跨的结合，宜采用减少上部结构自重并有利于抗震的结构形式。⑶体系的整体性和规则性。桥梁的整体性要好，上部结构应尽可能是连续的。较好的整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被震散掉落，同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。无论是在平面还是在立面上，结构的布置都要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规整，避免突然变化。⑷提高结构和构件的强度和延性。桥梁结构的地震破坏源于地震动引起的结构振动，因此抗震设计要力图使从地基传入结构的振动能量为最小，并使结构具有适当的强度、刚度和延性，以防止不能容忍的破坏。在不增加重量、不改变刚度的前提下，提高总体强度和延性是两个有效的抗震途径。刚度的选择有助于控制结构变形；强度与延性则是决定结构抗震能力的两个重要参数。由于地震动可造成结构和构件周期反复变形，使其刚度与强度逐渐退化，因此，只重视强度而忽视延性绝对不是良好的抗震设计。⑸能力设计原则。能力设计思想强调强度安全度差异，即在不同构件(延性构件和能力保护构件-不适宜发生非弹性变形的构件统称为能力保护构件)和不同破坏模式(延性破坏和脆性破坏模式)之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异，确保结构在大地震下以延性形式反应，不发生脆性的破坏模式。在我国以前的建筑抗震设计中，普遍采用“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想。⑹多道抗震防线。应尽量使桥梁成为具有多道抵抗地震侧向力的体系，则在强地震动过程中，一道防线破坏后尚有第二道防线可以支撑结构，避免倒塌。⑺对于高墩、大跨的特殊桥梁，应进行专题抗震设计与研究。4、桥梁抗震设计的几点建议⑴尽量采用连续的桥跨代替简支梁跨，进而减少伸缩缝的数量。降低在此处落梁的可能性同时也提高了桥上行车的舒适性。⑵对采用橡胶支座而无固定支座的桥跨。应加设防移角钢或设置挡轨，作为支座的抗震设计。⑶桥梁的基础应尽可能的建在可靠的地基上，否则软土的液化会加大地震反应。⑷位于常年有水河流上的特大桥、大中桥，当地基为液化土或软土时，其墩台基础应采用桩基础，且桩尖埋入稳定土层内一定深度。⑸高墩宜采用钢筋混凝土结构，按照延性要求进行设计。在桥墩塑性铰区域及紧接承台下桩基的适当范围内应加强箍筋配置。⑹在高烈度地震区，尽可能地采用整体性和规则性较好的桥梁结构体系，结构的几何尺寸、质量和刚度力求均匀、对称、规则，避免突变的出现；从几何线性上看，尽量选用直线桥梁。⑺设置多道抗震防线，尽可能用超静定结构，少采用静定结构。⑻对于较高的排架桥墩，墩之间应增设横系梁以减少墩柱的横向何移和设计弯矩。⑼选择合理的连接形式对桥梁抗震性能十分重要。对于高墩桥梁，建议采用上部结构与下部结构有选择性的刚性连接；对于矮墩桥梁，上部结构和下部结构连接建议采用支座连接方式，并合理设置梁墩的搭接长度。5、结语桥梁结构抗震设计是桥梁设计中的重要环节，在当前我国的高速公路、铁路正处在大规模建设之际，桥梁结构的安全问题更不容忽视。在桥梁设计中需采取一系列有效的抗震措施，进一步提高和完善桥梁的安全性、适用性、耐久性和社会效应性。