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浅谈高速公路桥梁结构抗震设计

日期: 2017-03-02
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     摘要:近些年来,随着社会经济的发展,高速公路桥梁结构在地震中遭受到非常严重的损坏,同时也是造成重大经济损失的主要原因。如何在以后的桥梁抗震设计中做到更经济、更有效地抗击地震引起的破坏,始终是桥梁抗震研究设计人员需要认真学习、研究的重要课题。本文将从以下几个方面对桥梁抗震进行研究和探讨,供广大同仁参考借鉴。 
中国论文网 http://www.xzbu.com/1/view-6374356.htm
  关键词:高速公路;桥梁结构;抗震设计 
  一、公路桥梁主要震害现象及原因分析 
  1.震害现象 
  从早期历次破坏性地震中,调查得到的公路桥梁主要震害现象可以总结为以下几类: 
  (1)上部结构的坠毁、落梁现象在早期的破坏性地震中常有发生。从梁体下落的形式看,顺桥向的占绝大多数。梁在顺桥方向发生坠落时,梁端撞击桥墩侧壁,给下部结构带来很大的破坏。据此认为,最危险的地震作用方向来自于顺桥方向。 
  (2)支承连接部位的破坏、桥梁支座、伸缩缝和挂梁悬挂节点等支承连接部位历来被认为是桥梁结构体系上抗震性能比较薄弱的一个环节,在早期历次破坏性地震中,支承连接部位的震害现象都极为普遍。 
  (3)下部结构的破坏、墩、台严重的破坏现象包括倒塌、断裂和严重倾斜;对钢筋混凝土桥墩,其它破坏现象还包括墩柱轻微开裂、保护层混凝土剥落、纵向钢筋屈曲和断裂等。基础自身的破坏现象则较少发现,其震害的主要形式表现为基础沉降、滑移等。上部结构坠毁极少是源于直接的地震动力效应,而是源于支座失效和下部结构的失效。下部结构失效的直接起因,早期最普遍的是源于地基液化或岸坡失稳,也有部分源于自身强度的不足。 
  2.震害原因分析 
  (1)设计方法上的缺陷。对近期几次破坏性地震的调查表明,遭受严重破坏的桥墩都是采用基于线弹性理论的强度设计原理进行设计的。在这种设计方法中,唯一考虑的因素只有静态的“力”,而没有考虑“变形能力”和“耗能能力”。这就导致钢筋混凝土墩柱在强烈地震动作用下,往往因设计弯曲延性不足或塑性铰区设计抗剪强度不足而弯剪破坏或剪切破坏. 
  (2)细部构造方面的缺陷。细部构造方面的缺陷包括横向箍筋数量不足和间距过大,因而不足于约束混凝土和防止纵向受压钢筋屈曲,纵向钢筋和横向箍筋锚不足导致粘结失效,以及主筋采用搭接或焊接接头没有错层等。细部构造方面的缺陷对桥梁结构抗震性能的不利影响,早已被桥梁震害实践所反复证明。另外盖梁和节点破坏的原因类似于墩柱破坏,也主要源于设计方法和细部构造两方面的缺陷。 
  二、抗震设计原则 
  1.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。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。无论是在平面或立面上,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。 
  2.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。由于地震动是周期反复作用的运动,还要注意周期反复变形下结构和构件的刚度与强度的退化效应。只重视强度而忽视延性绝对不是良好的抗震设计。 
  3.能力设计原则 
  过去的设计思想认为,理想的设计是使结构各构件都具有近似相等的安全度,即结构中不要存在局部的薄弱环节。但由于结构各构件的重要性程度并不相同,等安全度设计思想并不合适,尤其对于抗震结构,更是如此。能力设计思想强调强度安全度差异,即在不同构件和不同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。 
  4.多道抗震防线 
  应力图使桥梁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承结构,避免倒塌。因此,超静定结构优于同种类型的静定结构。但相对于建筑结构,桥梁在这方面可利用的余地通常并不大。 
  三、提高结构抗震性能的方法 
  抗震设计的理念应该贯穿在整个桥梁结构的设计过程中,从设计方案选择上注重桥梁的抗震性能,通过反复的实验和推敲来确定桥梁设计的方案。 
  1.隔震支座法 
  隔震支座法是在抗震方面应用的较为广泛的方法。这种方法是通过增加结构的柔性和阻尼来减小桥梁的地震反应的。具体做法是采用减、隔震支座在桥梁梁体与墩、台的连接处,通过设计或是应用新材料来实现结构的柔性和阻尼的增加。这个方法是有大量的实验理论依据作为支撑的,很多试验的分析结果都反映出桥梁连接处的结构与对地震的反应是有着直接关系的。以上的连接方法可以有效的减小桥梁墩、台所受的水平地震力,从根本上减小了地震的影响,提高了桥梁结构的抗震性能。 
  2.采用桥梁延性控制方法 
  桥梁的延性是实现桥梁结构抗震性能设计的一个重要手段。桥梁的延性反映了桥梁结构或材料在强度没有明显降低的情况下的非弹性变形能力。桥梁的延性可以用构件截面的曲率延性系数来表示。当允许出现塑性铰时,各国规范都要求塑性铰要设计在方便检修的位置。桥墩的延性是抗震设计中可以加以利用的特点,由于桥墩自身所具备的延性,将这一性质加强,在强震时,这些部位所形成的稳定延性塑性铰可以产生弹塑性变形,这样变形将延长结构的周期,并同时耗散地震的能量。利用桥墩自身加强的延性,将地震力通过限度内的塑性变形渐渐分散,是在桥梁结构设计中比较容易实现的抗震方法之一。延性的抗震设计,需要根据弹性反应来计算塑性变形的程度,然后根据抗震等级进行修正,尽可能提高桥梁结构的抗震载荷。在桥梁的抗震设计规范中,综合影响系数是用来反映塑性变形程度,所以根据综合系数可以确定桥梁的抗震能力。 
  3.采用隔震支座和阻尼器相结合的系统 
  隔震支座法可以充分提高桥梁的抗震性能,增加对地震力的阻尼也是提高桥梁性能的方法,将二者结合起来,抗震性能会加倍。隔震支座和阻尼器可以在地震的作用下,加强桥墩的弹塑性变形从而耗散地震能量,使地震的危害得到减弱,也就是加强了桥梁的抗震性能。 
  4.引进新型桥梁的抗震设计方法 
  在传统的桥梁结构抗震设计中,主要方法是用“蛮力”,也就是通过提高强度和增强延性来保证可以抵御地震的能力,如果桥梁结构自身的力比地震的力大时,当然可以岿然不动。但是这种方法应用在实际中时,其抗震能力是不明确的,而地震的作用也是无法预知的。当两个未知因素,在实际的情况时发生,往往与人们所期待的结果相反,桥梁自然遭到损害,这样的例子在实际中是很多的。新型的桥梁结构设计多采用型钢混凝土结构,这种结构与传统的混凝土结构相比有着很多先进之处。因为型钢混凝土结构的承载能力高于同样外形的钢筋混凝土的一倍以上,而且前者抗剪能力、延性都明显的高于后者,这样抗震能力自然得到提到。 
  四、结束语 
  随着对地震机理认识的逐步加深,提高和完善桥梁结构物的各项功能,以及桥梁抗震构造措施进一步的改进和完善,可以很好地达到桥梁结构的防震和抗震效果。只要认真分析和了解结构的地震反应和特性,精心设计并采取一系列有效的抗震措施,我们就可以很好地达到结构的防震和抗震效果。 
  参考文献: 
  [1]陈星烨,余钱华.跨度桥梁的抗震分析与地震动输入[J].中外公路,2000;21(4) 
  [2]范立础,李建中.汶川桥梁震害分析与抗震设计对策[J].公路.2009(05)

      原文地址:http://www.xzbu.com/1/view-6374356.htm


师资力量 / Teacher
发布时间: 2018 - 09 - 27
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发布时间: 2017 - 04 - 27
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