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1、桥梁抗震设计方法摘要： 本文主要介绍桥梁抗震设计的主要方法及它们的优缺点及其比较。关键词：桥梁抗震 延性法 反应谱法 减隔震 我国是世界上多地震的国家之一, 地震常常给社会造成巨大损失。近年来随着我国经济建设的快速发展,出现了各种形式的桥梁(如大跨度、超大跨度斜拉桥、悬索桥、拱桥及各种复杂的城市立交工程)。桥梁抗震设计中也涌现了众多问题。桥梁结构地震反应分析的发展过程可以大致分为:静力法、反应谱法、动力时程分析法。目前桥梁设计工作者的一个重要工作内容就是采取正确的抗震计算方法以及有效的构造措施。反应谱法在桥梁抗震设计中是有一定应用价值的, 虽然目前大多数抗震设计规程都指出对大跨度桥梁进行抗震设
2、计应采用动态时程分析法, 但是有必要研究反应谱法的优点及不足, 以确保桥梁工程在地震过程中有足够的抗震能力和合理的结构安全度。1、桥梁抗震设计的基本思路当前主要地震国家桥梁抗震设计规范的基本思路和设计准则是: 设计地震作用基本上分为功能和安全设计两个等级。虽然各规范使用的名词不同, 但其思路是基本一致的。比较起来我国公路工程抗震设计规范仍在使用烈度概念, 关于抗震设计的指导思想方面比较笼统。主要抗震设计方法有反应谱法、延性法、减隔震技术等。2、反应谱法基本概念人类在与地震的斗争中发展了各种抗震分析方法,分为确定性方法和概率性方法两大类。静力法、反应谱法和时程分析法均属于确定性方法, 随机振动、
3、虚拟激励法属于概率性方法。通常所说的结构地震反应分析,就是建立结构地震振动方程, 然后通过求解振动方程得到结构地震反应(位移、内力等) 的过程。2.1 反应谱的定义在结构抗震理论发展中, 静力法、反应谱法和动力时程分析法三个阶段的形成和发展是人类对自然规律认识的不断深入与完善的过程。反应谱理论考虑了结构物的动力特性, 而且简单正确地反映了地震动的特性, 因此得到了广泛认可和应用。广义线性单自由度体系一个场地记录到的地震动与多种因素有关, 比如场地条件、震中距和震源深度、震级、震源机制和传播路径等等。由于诸多随机因素的影响使得由不同记录得到的加速度反应谱具有很大的随机性。各规范反应谱之间存在一些
4、差别, 工程抗震设计中采用动力放大系数作为地震荷载的描述, 其根据规定的反应谱曲线及体系的自振周期确定。在桥梁抗震设计规范中还引入了综合影响系数以考虑结构的延性耗能作用。对于多质点体系可利用振型分解成一系列相互独立的振动从而可以利用单质点体系的反应谱理论来计算, 最后将各个振型的最大反应按适当的方法相组合( 如SRSS、CQC、IGQC 等) 即得到多质点体系的各项反应值12。2.2 反应谱方法的优缺点反应谱方法的优点是概念简单、计算方便, 可以用较少的计算量获得结构的最大反应值。反应谱方法的缺点是: ( 1) 地震响应分析时必须重视振型数的取值。由于大跨度桥梁的自振频率在一个相当宽的频带内密
5、布, 而地震波一般都是宽带激励, 因此在用反应谱方法做大跨度桥梁的分析时, 必须选取足够数量的振型。 ( 2) 原则上只适用于线性结构体系。结构在强烈地震中一般都要进入非线性状态, 弹性反应谱法不能直接使用。( 3) 地震反应谱失掉相位信息。经叠加得到的结构反应最大值是一个近似值。3延性抗震设计的基本概念3.1 延性的定义和指标延性抗震设计主要是利用结构、构件自身的延性耗能能力来抵抗地震作用，设计时是通过增加结构、构件延性来实现，对结构允许出现塑性铰的部分进行专门的延性设计。延性抗震设计的基本思想：结构构件可以发生塑性变形，可以发生一定的损坏，但结构不倒塌是必须能得到保证的，结构设计时，使结构
6、具有一定的滞回特性，这种特性足以抵抗大地震产生的弹塑性变形，设计预期的大地震发生时，滞回延性要低于地震激起的反复弹塑性变形循环，免于倒塌破坏的结构抗震设防的最低目标必须始终得到保证。在抗震设计时，使结构具有延性特征，首先要确定度量延性量化的设计指标。通常用位移延性系数和曲率延性系数作为延性量化设计的指标。位移延性系数定义为构件屈服后的位移与屈服位移之比。曲率延性系数定义为截面屈服后的曲率与屈服曲率之比。3.2 静力延性指标与动力延性指标地震动的随机性使钢筋混凝土的动力延性指标，在实际中无法准确表示，结构在遭遇设计预期的大地震时，地震动作用使结构经历的反复变形循环情况无法事先预知，所以，结构构件
7、的动力延性指标在地震动作用下也就无法确定。由于无法准确确定大地震时结构结构的动力延性指标，在设计时通常采用静力延性指标来代替，也可以采用周期反复荷载试验验证静力延性指标。当用静力延性指标代替动力延性指标时，在周期反复荷载作用下，由于结构构件存在低周疲劳现象，结构构件的延性在地震动作用下往往会过高地估计。4、桥梁减隔震技术4. 1 减隔震技术的概念和发展减震是人为在结构的某些部位设置阻尼器或耗能构件,改变结构的动力性能,耗散结构吸收的地震能量,从而降低结构的地震反应。隔震则是指通过延长结构的自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输入,以此降低结构地震反应。对桥梁结构采用隔震技术的思想产生由来已久
8、,减隔震技术自诞生以来,受到了广泛的重视。第一座采用减隔震技术的桥梁是新西兰的Motu桥,建于1973 年,上部结构采用滑动支承隔震,阻尼由U 形钢弯曲梁提供。该桥建成后,减隔震技术在桥梁抗震中得到了迅速推广。美国第一次将减隔震技术用于桥梁是在1984 年,用于对Sierra Point Bridge 进行抗震加固。1990 年,美国新建了第一座采用减隔震技术的桥梁Sexton 桥。在日本,第一座建成的减隔震桥梁是静岗县横跨Keta 河的宫川大桥,完成于1990 年,是一座3 跨连续钢桁架梁桥,采用铅芯橡胶支座作为减震构件。4. 2 常用减隔震装置1) 分层橡胶支座。分层橡胶支座,国内常称为板
9、式橡胶支座。其基本构造由薄橡胶片与薄钢板相互交替结合而成,支座平面形状多采用圆形或矩形。在抗震设计中主要考虑分层橡胶支座的水平刚度和阻尼作用等因素。橡胶支座的水平剪切刚度,指上、下板面产生单位位移时所需施加的水平剪力。橡胶支座通过在变形过程中消耗能量提供阻尼,这种阻尼主要取决于橡胶层变形的速度。以天然橡胶为主要材料制作的支座,典型的阻尼比为5 %10 %。分层橡胶支座的力位移滞回曲线呈狭长形,所提供的阻尼较小,因而在减隔震桥梁设计中,常与阻尼器一起使用。2) 铅芯橡胶支座。铅芯橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上,在支座的中部或中心周围部位竖直地压入高纯度铅芯以改善支座阻尼性能的一种减震支座。铅芯
10、具有良好的力学特性,具有较低的屈服剪力(约10 MPa) ,具有足够高的初始剪切刚度(约130 MPa) ,具有理想弹塑性性能且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能,能够提供地震下的耗能能力和静力荷载下所必需的刚度。因此,由铅芯和分层橡胶支座结合的铅芯橡胶支座能够满足一个良好减隔震装置所应具备的要求:在较低水平力作用下,具有较高的初始刚度,变形很小;在地震作用下,铅芯屈服,刚度降低,延长了结构周期,并消耗地震能量。3) 滑动摩擦型减隔震支座。滑动摩擦型支座利用不锈钢与聚四氟乙烯材料之间相当低的滑动摩擦系数制成。也称为聚四氟乙烯滑板支座。这种支座具有摩擦系数小,水平伸缩位移大的优点,作为桥梁活动支座
11、十分适宜。在地震作用下,滑动摩擦型支座允许上部结构在摩擦面上发生滑动,从而将上部结构能够传递到下部结构的最大地震力限制为支座的最大摩擦,同时通过摩擦消耗大量的地震能量。这类支座的缺点是没有自复位能力,用作隔震支座时,支座响应的可预测性和可靠性都不尽如人意,所以常与阻尼器和橡胶支座等其他装置一起使用4) 钢阻尼器。钢阻尼器利用钢材的塑性变形来耗能。典型的钢阻尼器:a. 有横向加载臂的均匀弯矩弯曲梁阻尼器,加载臂有一倾斜角度;b. 锥形悬臂弯曲梁阻尼器;c. 有横向加载臂的扭梁阻尼器。钢阻尼器的优点是制造不需要特殊设备,费用比较合适,坚实耐用,又具有较大的耗能能力。试验研究表明,大多数钢阻尼器的滞
12、回曲线可用双线性来近似模拟。不同类型钢阻尼器的选择取决于阻尼器放置的位置、可利用的空间、连接的结构以及力和位移的大小。钢阻尼器通常和橡胶隔震支座一起使用,如聚四氟乙烯滑板支座与悬臂钢阻尼器就是一种合理组合。4. 3 减隔震装置的选择桥梁的减隔震系统应满足如下三个基本功能:1) 具备一定的柔度,用来延长结构周期,降低地震力;2) 通过阻尼、耗能装置等对地震力进行耗散,并将支承面处的相对变形控制在设计允许的范围内;3) 具备一定的刚度和屈服力,在正常使用荷载下结构不发生屈服和有害振动。进行减隔震设计时,应将重点放在提高耗能能力和分散地震力上,不可过分追求加长周期。而且应选用作用机构简单的减隔震装置
13、,并在其力学性能明确的范围内使用。另外,减隔震装置不仅要能减震耗能,还应满足正常运营荷载的承载要求,因此选择减隔震装置时,还应注意以下一些要求:1) 在不同水准地震作用下,减隔震支座都应保持良好的竖向荷载支承能力;2) 减隔震装置应具有较高的初始水平刚度,使得桥梁在风荷载、制动力等作用下不发生过大的变形和有害的振动;3) 当温度、徐变等引起上部结构缓慢的伸缩变形时,减隔震支座产生的抗力应比较低; 4) 减隔震装置应具有较好的自复位能力,使震后桥梁上部结构能够基本恢复到原来位置。5、反应谱法、延性法、减隔震技术的比较反应谱法使用与中小桥，反应谱理论建立在以下基本假定的基础上:1)结构的地震反应是
14、线弹性的,可以采用叠加原理进行振型组合;2)结构物所有支承处的地震动完全相同;3) 结构物最不利地震反应为其最大地震反应;4)地震动的过程是平稳随机过程。反应谱法是利用结构的强度来抵抗变形，而延性抗震是在结构上设置可有较大变形的结构，让其变形来吸收地震能量。减隔震则是主动的去减弱、化解地震作用力。6、结语本文结合上课笔记及参阅有关资料，对桥梁抗震的简单总结。旨在对桥梁抗震有一个相对系统的了解，为以后进一步学习打下基础。参考文献：1韩亚男 刘威（河北工业大学）桥梁抗震分析方法J.科技风, 2011（1）.2 范立础.桥梁抗震M.上海:同济大学出版社,19973 陈虎.桥梁抗震概念设计J.国外建材科技,2004(2).4 刘建新,胡兆同,李子青.桥梁结构减震设计方法研究J.中国公路学报.2000(4).5 乔东华，王磊.桥梁结构抗震分析方法研究J.山西科技，2007(1).6 陈星烨，余钱华.大跨度桥梁的抗震分析与地震动输入J.中外公路，21(4).7 赵大亮，李爱群.大跨度桥梁地震反应谱的发展J.公路交通科技， 2006(2)8 韦晓，袁万城，王志强，范立础.关于桥梁抗震设计规范反应谱若干问题J.同济大学学报，2007(2).9 朱立增，张纪群.大型桥梁抗震反应谱分析理论的发展及研究现状 J.公路交通技术，2003(4).
