地震作用下大跨高墩梁桥减隔震技术分析的新探讨

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　　摘要:本文结合近几年来,我国部分地区相继发生的强烈地震,尤其是汶川地震和玉树地震,对大跨高墩梁桥的强烈破坏作用进行了分析,通过对桥梁地震响应的分析方法做了简要的回顾和比较,对大跨度桥梁的地震响应分析特点做了详细说明,对进一步研究提出一些看法。
　　关键词:大跨度;桥梁;地震响应;减隔震;反应谱分析;时程反应分析;静力分析
　　
　　1. 前言
　　地震是威胁人类安全的主要自然灾害之一,我国是世界上地震活动最强烈的国家之一,根据中国地震局的预测,目前我国大陆已进入了第五个地震活跃期。近几年来,一些国家和我国部分地区相继发生了强烈地震,造成很大的损失。1976年唐山大地震,为7.8级,71座大、中型桥梁、160座小型桥梁、1000余个道路涵洞塌陷裂。遭受震害的铁路桥梁占总数的39.3%,其中严重破坏的占遭受震害的铁路桥梁的45%,致使京山铁路中断。2008年5月12日14时28分04秒,四川汶川8级强震突然袭来。此次地震中公路交通设施损坏严重 ,共有19 条高速公路、 159 条国省干线公路、 7 605条农村公路受损 ,损毁公路里程 47 277 km ,毁坏桥梁 5 560 座 ,隧道 110 座。2010年4月14日7点49分,中国西北部青海省玉树藏族自治州玉树县发生7.1级地震。截止到2010年4月20日为止,沿途倒塌房屋随处可见,道路损毁严重,很多路段裂缝明显,最宽处达20厘米左右,正在建筑的桥梁也因为地震成了危桥。玉树结古镇环城路两座大桥梁板错位,路面出现10公分宽裂缝,交通中断。桥梁作为生命线工程的重要组成部分,一旦在地震中发生破坏,会造成巨大的经济损失和社会损失。近年来,桥梁地震震害所带来的教训是深刻的。
　　2. 常用桥梁减隔震分析方法
　　目前,世界各国桥梁隔震设计规范中,隔震桥梁的分析方法主要有反应谱法、非线性时程法和非线性静力法等。
　　(1)反应谱分析方法
　　弹性反应谱分析方法主要适用于桥形规则的隔震桥梁,即采用隔震设计后,地震响应基本由隔震振型控制的桥梁。
　　隔震桥梁的弹性反应谱分析方法同普通桥梁的反应谱分析过程是不同的,具体体现在:①由于隔震装置的非线性特性,必须借助于等效线性化模型才能进行分析;②借助于等效线性化模型进行分析,在分析前无法确定隔震支座在地震作用下发生的位移值,而其等效线性化模型中的等效刚度、等效阻尼比参数均依赖于该位移值,所以整个分析过程是一个迭代过程;③普通桥梁的反应谱分析一般均假设结构各振动周期阻尼比为5%,但对于隔震桥梁,由于整个体系耗能能力不再均匀分布,隔震装置处的耗能能力大,而由其它构件所耗能量相对较少。因此,隔震桥梁各振动周期对应阻尼比是不相同的,基本周期的阻尼比一般较大,约10%~20%,有时甚至更高。这就要求在反应谱分析过程中不但要考虑不同振动模态采用不同的阻尼比,还要考虑不同的阻尼比对弹性反应谱的修正。所以,隔震桥梁的反应谱分析方法比普通桥梁要复杂得多。
　　(2)非线性动力时程分析方法
　　桥梁结构在罕遇地震作用下,出于经济考虑,一般都允许结构发生弹塑性变形,即结构发生有限损伤,但不允许发生倒塌。从目前使用比较广泛的隔震装置类型来看,其力学特性大多数是非线性的,再考虑到桥墩、连接装置等的非线性,要把握隔震结构在罕遇地震作用下的动力响应特性,比较合理的方法是采用非线性动力时程分析方法。桥梁隔震研究比较先进的国家,其规范中对非线性动力时程分析方法都作了相应的规定。
　　同非隔震桥梁相比,隔展桥梁的分析模型有许多不同的特点。第一,对于隔展桥,连接构件包括位移限制装置(如挡块)和在相邻桥面板伸缩缝间设置的连接单元等,对结构响应的影响较大,在设计时应对这些连接构件给予仔细考虑。第二,采用隔展设计后,在设计地震作用下,墩因受隔震装置的保护,不发生非弹性变形(如全保护隔震设计),因此可用线性单元来描述。第三,由于采用包括桥面梁质量的低频模态隔震,墩的振动类似于底部嵌固顶不受约束的独立结构的振动。因此,有必要考虑桥墩质量和桥墩自身的振动模态。第四,桥面梁虽然常可以模拟成线弹性单元,但应仔细考虑其质量分布和高阶振动模态。此外,同普通桥梁相比,隔震桥梁的非线性动力时程分析中,还需要对减隔震装置的模型进行特殊考虑。
　　(3)非线性静力分析
　　此方法是基于结构在预先假定的一种分布侧向力作用下,考虑结构中的各种非线性因素,逐步增加结构的受力,直到结构中形成机构为止。在这个分析过程中,可以得到结构的力与变形的全过程曲线。尽管侧向分布力是一种静力荷载,但整个分析过程可以近似地反映结构在地震作用下某一瞬间的动力响应。这里要注意的是,单纯的PUSH一OVER分析并不能直接得到结构的地震响应,而需要与弹性反应谱法、非弹性反应谱法等相结合才行,现在应用比较普遍的是能力谱方法。
　　3. 桥梁减隔震应用分析
　　地震时,作用在桥梁下部结构的惯性力荷载会使下部结构产生很大的力和位移。而上部结构和基础之间相对位移的变化取决地面运动特征,下部结构质量、刚度、强度和耗能特征,上部结构质量和刚度,桥台和基础的支撑条件等。对于传统桥梁,桥墩和桥台通过延性设计来满足相对位移的要求。然而构件出现较大的延性变形,会使混凝土剥落,钢筋在塑性铰区域发生屈服,从而产生不可恢复的侧向位移。在经历大震之后,损坏的桥墩必须修复或替换,而桥梁和道路可能会更改线路。
　　采用隔震支座对桥梁进行隔震设计,可以在地震时有效地控制桥梁地震力和位移,可使桥梁结构在经历强震后,仍能够满足桥梁安全和功能要求。合理的桥梁隔震设计,可以使隔震支座在限制地震力传递的同时,满足大位移的要求。
　　隔震的基本原理一是通过延长结构的自振周期来减小结构的加速度反应,从而减小结构由于地震所产生的地震荷载,二是通过增加结构的阻尼,来减少地震引起的位移反应。
　　采用铅芯橡胶支座进行桥梁减隔震设计,由于整个桥梁体系柔性增大,在减小地震力、吸收地震能量的同时,增大了梁体位移以及墩顶与梁体之间的相对位移。考虑大震时,上部梁体位移要进行限制以防止塌梁、落梁的发生。
　　4. 现有桥梁减隔震研究中存在的问题
　　(1) 现在虽已有不少方法来合成非一致激励的地震动时程,模拟地震动的空间变化,但在使用中如何针对结构特性和具体场地情况合理地取用相干函数模型及相关参数仍是大跨梁桥地震反应分析中的难点。
　　(2)对于配筋率较大的桥墩,在进行减隔震设计时,尤其是在强震作用下,往往没有利用桥墩的延性,忽略了桥墩结构本身的滞回耗能能力,未能将隔震桥梁系统中隔震支座耗能与桥墩本身延性耗能有机结合起来,造成了设计的不经济。
　　(3)桥梁的横向尺寸越来越大,桥墩的横向宽度也越来越大,变成了墙式墩,这种墩的抗震性能和配筋特点有待研究。
　　5. 结语
　　20世纪以来,工程隔震作为一项新的结构抗震技术受到越来越多的重视,目前全世界有二十多个国家正在进行工程隔震的研究与实施工作。新西兰、意大利、美国、日本等国的隔震桥梁己有数百座,减隔震技术已在这些国家的桥梁工程中己经得到广泛应用,实践证明了这项技术为桥梁抗震做出的贡献。我国在桥梁隔震方面的研究起步较晚,目前,隔震桥梁尤其是采用铅芯橡胶支座进行减隔震设计的桥梁在我国铁路桥梁中还很少。随着隔震装置的改进和隔震设计理论的逐步完善,隔震技术在我国桥梁抗震设计中的应用将会越来越广泛。
　　
　　参考文献:
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　　[2 ] 公路工程抗震设计规范 [M] . 北京: 人民交通出版社 , 1991.
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　　[7] 范立础,胡世德,叶爱君,《大跨度桥梁抗震设计》,人民交通出版社,2001
　　
　　作者简介:
　　屈若枫,男,湖北荆州,中国地质大学(武汉)工程学院土木工程系
　　李志鹏,男,河北保定,中国地质大学(武汉)工程学院岩土工程系
　　李亚杰,男,湖北黄冈,中国地质大学(武汉)工程学院岩土工程系

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