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摘 要 桥梁在震后救灾中起着不可估量的作用。本文介绍了桥梁结构的震害特点,并介绍了静力分析法、反应谱法、动力分析法三种抗震设计方法,为以后相关建设提供了理论参考。
关键词 桥梁 震害 抗震设计
地震是威胁人类安全的主要自然灾害之一,近几年来,一些国家和我国部分地区相继发生了强烈地震,造成了非常惨重的生命财产损失。而地震的监测预报还是世界性的难题,很难做出准确的临震预报,而且即使做到了震前预报,如果工程设施的抗震性能薄弱,也难以避免经济损失。因此实施有效的抗震设防仍然是当前防震减灾的关键性工作,合理的抗震设计方法尤显重要。应贯彻执行新修订的建筑抗震设计规范,同时,利用合理的抗震设计方法。而这几次地震灾害的共同特点是:由于桥梁工程遭到严重破坏,切断了震区交通生命线,阻碍向灾区紧急输送救援人员和救灾物资,造成救灾工作的巨大困难,使次生灾害加重,导致了巨大的经济损失。随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展,对交通线的依赖性越来越强,桥梁是交通运输系统的枢纽工程,是生命线工程的重要组成部分,在现代化社会生活和经济运行中起着越来越重要的作用。而一旦地震使交通线遭到破坏,可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越巨大。几次大地震一再说明了桥梁工程遭到破坏的严重后果,也一再说明对桥梁工程进行抗震设防的重要性。
要减轻地震灾害,就要采取各种抗震措施,对工程结构进行抗震设防,这就免不了要增加工程的造价,而这些投资往往只能在遭遇设防地震时才能见到效益。因此,如何合理地进行工程抗震设防,使其既能有效地减轻工程的地震破坏和损失,又能合理地使用有限的资金,就成为工程抗震设计中需要解决的首要问题。桥梁结构抗震设计是桥梁设计中的重要环节,深刻理解桥梁抗震设计的本质,往往会出现事半功倍的效果。
一、桥梁的震害及特征
对国内外震害的调查表明,在过去的地震中,有许多桥梁遭受了不同程度的破坏,其主要震害有以下几点:
(一)桥台震害。桥台的震害主要表现为桥台与路基一起向河心滑移,导致桩柱式桥台的桩柱倾斜、折断和开裂;重力式桥台胸墙开裂,台体移动、下沉和转动;桥头引道沉降,翼墙损坏、开裂,施工缝错工、开裂以及因与主梁相撞而损坏。桥台的滑移与倾斜会进一步使主梁受压破坏,甚至使主梁坍毁。
(二)桩墩震害。桩墩的常见震害为墩台折断、倾斜、开裂、下沉及混凝土桥墩下部钢筋屈服呈灯笼状、混凝土崩裂、压酥等。桩墩的倾斜有单向的、八字的及倒八字的;桩墩的开裂处主要在桩桩的连结处、桩顶与盖梁连结处、桩桩与横系梁连结处或墩柱截面变化处。
(三)支座震害。在地震力的作用下,由于支座设计没有充分考虑抗震的要求,构造上连接与支挡等构造措施不足,或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素,导致了支座的震害主要表现为支座倾斜、剪断,锚固螺拴拔出、油毡支座从梁底拔出、固定支座的钢销钉剪断及摆柱支座倾斜、压碎,简易辊轴支座滚动脱落、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等。
(四)梁的震害。桥梁最严重的震害现象是主梁坠落。落梁主要是由于桥台、桥墩倾斜、倒塌,支座破坏,梁体碰撞,相邻墩间发生过大相对位移等引起的。主梁本身由于地震引起的破坏并不多见。
(五)地基与基础震害。地基与基础的严重破坏是导致桥梁倒塌,并在震后难以修复使用的重要原因。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数导致的地层水平滑移、下沉、断裂。基础的破坏与地基的破坏紧密相关,地基破坏一般都会导致基础的破坏,主要表现为移位、倾斜、下沉、折断和屈曲失稳。
(六)另外桥梁结构的震害还表现在结构构造及连接不当所造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成的桥台沉降或斜度过大而造成墩台承受过大的扭矩引起的破坏。
二、桥梁结构的抗震设计方法
桥梁抗震设计方法常用的结构抗震设计方法有静力法、反应谱法和动力分析法。
(一)静力分析法:静力分析起源于日本,是国际上最早形成的抗震分析理论。20世纪初,日本学者大房森吉提出水平最大加速度是造成地震破坏的重要因素,并提出按等效静力分析求地震效应的方法。将结构看作刚体,不考虑变形对结构的影响,也不考虑地震作用随时间的变化及其与结构动力特性的关系,结构各质点的水平地震作用最大值为该质点与地面运动加速度的乘积。
(二)反应谱分析法:反应谱分析建立在强震观测基础上,由美国学者M•A•Biot在20世纪40年代提出,到50年代初由Housner实现。将实测地震波代入单自由度动力反应方程,计算出各自最大弹性地震反应,从而得出结构最大地震反应与结构自振周期的关系曲线。由反应谱可计算最大地震作用,再按静力法计算地震反应。反应谱分析虽然考虑了结构的动力特性,但在分析中仍把地震惯性力看作静力,因此只能称为准动力分析。反应谱理论与结构振型分解法结合,建立了振型分解反应谱法,从而解决了复杂多自由度体系地震反应分析的问题。利用振型正交性和振型分解原理进行解耦,使之转化为求解独立的相当于单自由度体系的运动方程。
(三)动力分析法:动力分析法起源于20世纪60年代计算机技术的应用,是使地震波输入地震反应方程直接进行逐步积分求解成为可能而发展起来的分析方法。动力分析法包括确定性的动力时程分析法和非确定性的随机振动分析法,往后进一步发展提出了波动分析法。
参考文献:
[1]周勇,《桥梁抗震分析方法综述》,甘肃科技,2006年4月,第22卷第4期
[2]叶爱君、范立础,《大型桥梁工程的抗震设防标准探讨》,地震工程与工程振动,2006年4月,第26卷第2期
[3]许丽娜、阎贵平、尤元霞,《简述桥梁结构的震害及抗震设计方法》,山西建筑,2007年6月,第33卷第17期
[4]徐日雄,《浅谈桥梁抗震设计》,科技情报开发与经济,2010年,第20卷第1期
[5]宋巨峰、王小旭,《桥梁的抗震设计浅析》,工业技术,2009年,第2期
作者简介:
善忠虎(1985— ),男,土族,籍贯:甘肃省麦积山县,研究方向:桥梁工程
关键词 桥梁 震害 抗震设计
地震是威胁人类安全的主要自然灾害之一,近几年来,一些国家和我国部分地区相继发生了强烈地震,造成了非常惨重的生命财产损失。而地震的监测预报还是世界性的难题,很难做出准确的临震预报,而且即使做到了震前预报,如果工程设施的抗震性能薄弱,也难以避免经济损失。因此实施有效的抗震设防仍然是当前防震减灾的关键性工作,合理的抗震设计方法尤显重要。应贯彻执行新修订的建筑抗震设计规范,同时,利用合理的抗震设计方法。而这几次地震灾害的共同特点是:由于桥梁工程遭到严重破坏,切断了震区交通生命线,阻碍向灾区紧急输送救援人员和救灾物资,造成救灾工作的巨大困难,使次生灾害加重,导致了巨大的经济损失。随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展,对交通线的依赖性越来越强,桥梁是交通运输系统的枢纽工程,是生命线工程的重要组成部分,在现代化社会生活和经济运行中起着越来越重要的作用。而一旦地震使交通线遭到破坏,可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越巨大。几次大地震一再说明了桥梁工程遭到破坏的严重后果,也一再说明对桥梁工程进行抗震设防的重要性。
要减轻地震灾害,就要采取各种抗震措施,对工程结构进行抗震设防,这就免不了要增加工程的造价,而这些投资往往只能在遭遇设防地震时才能见到效益。因此,如何合理地进行工程抗震设防,使其既能有效地减轻工程的地震破坏和损失,又能合理地使用有限的资金,就成为工程抗震设计中需要解决的首要问题。桥梁结构抗震设计是桥梁设计中的重要环节,深刻理解桥梁抗震设计的本质,往往会出现事半功倍的效果。
一、桥梁的震害及特征
对国内外震害的调查表明,在过去的地震中,有许多桥梁遭受了不同程度的破坏,其主要震害有以下几点:
(一)桥台震害。桥台的震害主要表现为桥台与路基一起向河心滑移,导致桩柱式桥台的桩柱倾斜、折断和开裂;重力式桥台胸墙开裂,台体移动、下沉和转动;桥头引道沉降,翼墙损坏、开裂,施工缝错工、开裂以及因与主梁相撞而损坏。桥台的滑移与倾斜会进一步使主梁受压破坏,甚至使主梁坍毁。
(二)桩墩震害。桩墩的常见震害为墩台折断、倾斜、开裂、下沉及混凝土桥墩下部钢筋屈服呈灯笼状、混凝土崩裂、压酥等。桩墩的倾斜有单向的、八字的及倒八字的;桩墩的开裂处主要在桩桩的连结处、桩顶与盖梁连结处、桩桩与横系梁连结处或墩柱截面变化处。
(三)支座震害。在地震力的作用下,由于支座设计没有充分考虑抗震的要求,构造上连接与支挡等构造措施不足,或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素,导致了支座的震害主要表现为支座倾斜、剪断,锚固螺拴拔出、油毡支座从梁底拔出、固定支座的钢销钉剪断及摆柱支座倾斜、压碎,简易辊轴支座滚动脱落、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等。
(四)梁的震害。桥梁最严重的震害现象是主梁坠落。落梁主要是由于桥台、桥墩倾斜、倒塌,支座破坏,梁体碰撞,相邻墩间发生过大相对位移等引起的。主梁本身由于地震引起的破坏并不多见。
(五)地基与基础震害。地基与基础的严重破坏是导致桥梁倒塌,并在震后难以修复使用的重要原因。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数导致的地层水平滑移、下沉、断裂。基础的破坏与地基的破坏紧密相关,地基破坏一般都会导致基础的破坏,主要表现为移位、倾斜、下沉、折断和屈曲失稳。
(六)另外桥梁结构的震害还表现在结构构造及连接不当所造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成的桥台沉降或斜度过大而造成墩台承受过大的扭矩引起的破坏。
二、桥梁结构的抗震设计方法
桥梁抗震设计方法常用的结构抗震设计方法有静力法、反应谱法和动力分析法。
(一)静力分析法:静力分析起源于日本,是国际上最早形成的抗震分析理论。20世纪初,日本学者大房森吉提出水平最大加速度是造成地震破坏的重要因素,并提出按等效静力分析求地震效应的方法。将结构看作刚体,不考虑变形对结构的影响,也不考虑地震作用随时间的变化及其与结构动力特性的关系,结构各质点的水平地震作用最大值为该质点与地面运动加速度的乘积。
(二)反应谱分析法:反应谱分析建立在强震观测基础上,由美国学者M•A•Biot在20世纪40年代提出,到50年代初由Housner实现。将实测地震波代入单自由度动力反应方程,计算出各自最大弹性地震反应,从而得出结构最大地震反应与结构自振周期的关系曲线。由反应谱可计算最大地震作用,再按静力法计算地震反应。反应谱分析虽然考虑了结构的动力特性,但在分析中仍把地震惯性力看作静力,因此只能称为准动力分析。反应谱理论与结构振型分解法结合,建立了振型分解反应谱法,从而解决了复杂多自由度体系地震反应分析的问题。利用振型正交性和振型分解原理进行解耦,使之转化为求解独立的相当于单自由度体系的运动方程。
(三)动力分析法:动力分析法起源于20世纪60年代计算机技术的应用,是使地震波输入地震反应方程直接进行逐步积分求解成为可能而发展起来的分析方法。动力分析法包括确定性的动力时程分析法和非确定性的随机振动分析法,往后进一步发展提出了波动分析法。
参考文献:
[1]周勇,《桥梁抗震分析方法综述》,甘肃科技,2006年4月,第22卷第4期
[2]叶爱君、范立础,《大型桥梁工程的抗震设防标准探讨》,地震工程与工程振动,2006年4月,第26卷第2期
[3]许丽娜、阎贵平、尤元霞,《简述桥梁结构的震害及抗震设计方法》,山西建筑,2007年6月,第33卷第17期
[4]徐日雄,《浅谈桥梁抗震设计》,科技情报开发与经济,2010年,第20卷第1期
[5]宋巨峰、王小旭,《桥梁的抗震设计浅析》,工业技术,2009年,第2期
作者简介:
善忠虎(1985— ),男,土族,籍贯:甘肃省麦积山县,研究方向:桥梁工程