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桥梁抗震设计有关问题分析

来源:搜论文知识网位置:2010年05月时间:2010-10-23 09:22

  摘要:为保证公路桥梁设施的完好,发挥其在抗震救灾中的作用,需对公路桥梁设计进行深入的抗震计算和研究。本文介绍了桥梁的震害及特征,阐述了公路桥梁抗震设防原则及分类,提出了具体的桥梁抗震设计思路,供大家参考。
  关键词:抗震设计;震害;构造设计
  1前沿
  我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间,属多震国家,在抗震救灾中,公路交通是抢救人民生命、恢复生产的生命线。结构抗震构造设计是桥梁设计中的重要环节,涵养内容丰富。若能把地震力效应的受力计算以及概念设计综合运用到设计上,往往会得到事半功倍的效果。
  2桥梁的震害及特征
  对国内外震害的调查表面,在过去的地震中,有许多桥梁遭受了不同程度的破坏,其主要震害有几下几点。
  2.1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。
  2.2桥墩震害
  桥墩震害主要表现为桥梁沉降、倾斜、移位,墩身开裂、剪断,受压缘混凝土崩溃,钢筋裸露屈曲,桥墩与基础连接处开裂、折断等。
  2.3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,构造上连接与支档等构造措施不足,或由于某些支座形式和材料上的缺陷等因素,导致了支座发生过大的位移和变形,从而造成如支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等,并由此导致结构力传递形式的变化,进而对结构的其它部位产生不利的影响。
  2.4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。
  2.5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素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。
  2.6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钜引起的破坏。
  3公路桥梁抗震设防原则及分类
  3.1设防原则
  桥梁结构抗震设计的基本思想和设计准则是制定设计规范的重中之重,它决定了抗震设计要达到的目标、地震动水平和结构对地震反应的计算方法。我国现行的《公路桥梁抗震设计规范》(JTJ004—89)采用的是单一水准的抗震设防思想,进行了基本烈度(中震)下的抗震指引。基本烈度是有中国地震烈度区划图确定的。该规范7度、8度和9度地区相应的地震最大动加速度设计值分别取0.1g、0.2g和0.4g(g=9.8m∕s为重力加速度)。
  另外,根据线路等级和结构重要性以及修复的难以程度,采用重要性修正系数对结构的地震作用进行修正。但公路桥梁抗震设计规范的重点放在梁式桥东台和一般跨径的拱桥上,较少详尽考虑刚架拱桥、连续刚构、斜拉桥、超过150m的梁式桥等。因此,单一的抗震强度设防思想在目前我国公路桥梁抗震设计中有待完善。
  3.2震级和烈度
  震级:反应某次地震震源释放能量的多少。
  烈度:表示某一地区的地面和各类建筑物遭受某一次地震影响的强弱程度,是反映某个指定场地的地面运动效应的尺度。烈度以描述震害宏观现象为在,根据建筑物的破坏程度、地貌变化特征、地震时人的感觉、家具器物的反映等方面进行分级。由此可见,震级是定量概念,与某次地震对应;烈度是定性概念,与某次地震一一对应,但与结构的破坏程度和地震动峰值加速度对应,因此,设防烈度才是抗震设计的主要依据。
  4桥梁的抗震设计
  桥梁的抗震设计应分为两阶段进行;1)在方案设计阶段进行抗震概念设计,选择一个较理想的抗震结构体系;2)在初步或设计技术阶段进行延性抗震设计,并根据设计思想进行抗震能力验算,必要时进行减、隔震设计提高结构的抗折能力。
  4.1抗震设计概念
  由于地震发生的不确定性和复杂性,再加上结构计算机模型的假定与实际情况的差异,使“计算设计”很难控制结构的抗震性能,因而不能完全依赖计算。结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。因此,在桥梁的方案设计阶段,不能仅仅根据功能要求和静力分析就决定方案的取舍,还应考虑桥梁的抗震性能,尽可能选择良好的抗震结构体系。在抗震概念设计时,要特别重视上、下部结构连接部位的设计,桥墩形式的选择,过渡孔处连接部位的设计以及塑性铰预期部位的选择。
  为了保证所选择的结构体系在桥址处的场地条件下确实是良好的抗震体系,必须进行简单的分析(动力特性分析和地震反应评估),然后结合结构设计分析结构的抗震薄弱部位,并进一步分析是否能通过配筋或构造设计,保证这些部位的抗震安全性。最好,根据分析结果综合评判结构体系抗震性能的优劣,决定是否要修改设计方案。
  4.2常用的抗震设计方案
  增加结构的柔性以延长结构的自振周期,达到减小由于地震荷载和增加结构的阻尼或能量耗散能力以减小由于地震所引起的结构反应是实用的抗震方法。当前,比较容易实现和有效的抗震方法主要有以下几点。
  4.2.1采用隔震支座
  采用减、隔震支座(聚四氟乙烯支座,叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座等)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,大量的试验和理论分析都表面其联结方式对桥梁结构的地震反应有很大的影响,在梁体与墩、台的连接处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力。
  4.2.2采用隔震支座和阻尼器相结合的系统。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,利用桥墩的延性抗震。近20年来,国外在桥梁减、隔震和延性抗震方面进行了许多研究,美国、新西兰和日本等在桥梁设计规范中都列入了相应的条款。
  4.2.3利用桥墩延性减震
  利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法,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。在进行延性抗震设计时,按弹性反应谱计算塑性反应的地震荷载需要修正,桥梁抗震设计规范采用了综合影响系数来反应塑性变形的影响。
  4.3新型桥梁的抗震设计,是从强度和延性等方面来确保桥梁具有足够的抗震能力,使之在地震作用下不垮。然而由于人们尚难以准确估计桥梁结构的抗震能力和地震作用,因而桥梁结构在地震中严重破坏或倒塌的例子很多。型钢混凝土结构是在混凝土上包裹型钢做成的结构。它与钢筋混凝土结构相比具有一系列优点。其承载力可以高于同样外形的钢筋混凝土构件承载力一倍以上,具有较好的抗剪能力,延性比明显高于钢筋混凝土结构,滞回曲线较为饱满,耗能能力有显著的提高,从而呈现处良好的抗震性能。能够隔夜、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,避免由于产生塑性变形而造成累积损伤和永久残余变形,这大大提高了桥梁结构的安全度;同时可以节约材料,降低造价。型钢混凝土中的型钢除采用轧制型钢外,还广泛使用焊接型钢,常用的截面形式有H型、E型、T型等,而采用矩形及圆钢管混凝土结构是在型钢混凝上结构、螺旋配筋混凝上结构以及钢管结构的基础上演变和发展起来的一种新型结构。
  5结语
  目前地震虽然是不可控制的,但只要我们加强对桥梁震害及抗震机理的深入研究,在桥梁设计过程中认真分析地震时结构的特性和反应,精心采取一系列科学有效的地震设计,制定先进的抗震设防原则,严格控制工程质量,就一定能将地震损失降到最小,并确保交通运输线路的畅通无阻。
  参考文献
  【1】范立础,叶爱君,大跨度桥梁抗震设计
  【M】北京:人民交通出版社,2001.
  【2】聂利英。【D】。上海:同济大学桥梁工程系,2002.

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