桥梁抗震设计研究.docx

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1、桥梁抗震设计研究 中国高新技术企业桥梁抗震设计研究 文杨建 本文介绍了目前用于桥梁抗震设计的主要设计方法,并通过对其各自理论根源的分析,详细介绍 了各种方法的优缺点和使用条件,为在今后的抗震设计中选择合适的设计方法提供了依据。 桥梁抗震设计强度位移性能概率性 在吸取震害经验教训的基础上,随着对地震产生的机理、地震动特性以及地震作用下结构动力响应特点、破坏机理、构件能力的研究及认识的深入发展,桥梁抗震设计方法也得到极大的发展。当前的桥梁结构抗震设计方法主要有基于强度,基于位移,基于能量、基于性能和概率性抗震分析方法。 基于强度的设计方法 基于强度的设计方法包括:静力法、反应谱法、时程分析法。 静

2、力法始创于意大利,发展于日本。年大森房吉提出了地震烈度表的概念,静力等效水平最大加速度作为地震烈度的绝对指标,提出结构物所受地震力可写为如下形式: 式中为结构物各部分重量,为地面运动加速度峰值与重力加速度的比值,称为地震系数。该法假设结构物各部分与地震动具有相同的振动规律。结构因地震力引起的惯性力等于地面运动加速度与结构总质量的乘积,以此惯性力作为静力施加于结构,进行结构线弹性静力分析。从动力学理论看,该法的缺陷在于,忽略了结构物本身的动力特性。只有当结构近似于刚体时,弹性静力法才能近似成立。 反应谱法则考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系,又保持了原有静力理论的形式。该方法早在年代就

3、广泛为各国规范所采用,而且至今仍然是我国和世界上许多国家结构抗震设计规范中地震作用计算的理论基础。 () 式中,()为加速度反应谱()与地震动最大加速度之比,表示结构物加速度放大倍数。 基于弹性假设的反应谱是一种拟动力分析方法,能反应地震动强度和平均频谱特性,但是难以反应结构开裂后进人非弹性阶段的特性。 上世纪年代计算机和实验技术的发展,使人们对各类结构物在地震动作用下的线性、非线性反应全过程有较多了解。人们通过对结构的运动微分方程进行积分,当确定了地震时的地面运动加速度曲线性()时,可以求得地震过程中每一时刻的结构地震反应。动态时程分析法可以精确的考虑结构、土和深基础之间的相互作用以及地震波

4、相位差和不同地震波分量和多点输入等因素的影响,建立结构动力计算图式和相应的地震振动方程。 建立在计算机程序分析基础上的非线性时程分析法,是目前评价桥梁地震行为中相对而言最成熟、最完善的方法。但是该方法在现有桥梁抗震性能评价的应用中还是存在着一些问题。非线性时程分析方法的技术复杂,计算工作量大,结果处理繁杂,并且结果的准确性很大程度上都依赖于输人的地震波,然而在同一地区不可能发生完全相同的两次地震。所以时程分析所选用的地震波实际上不能真正反映该地区未来可能发生的地震作用情况,分析结果具有较大的偶然性。 基于性能的设计方法 随着抗震研究的发展,人们逐渐认识到强度条件并不能恰当地 估计结构的抗震能力

5、,这是由于结构在强烈地震中往往会进入弹塑 性阶段,这时结构的塑性变形消耗输入的地震能量,结构的自振周 期也会随塑性变形的发展而延长,从而改变地震反应的特性。结构 是否破坏将取决于塑性变形的大小或塑性消耗的能量,不是或不完 全是取决于结构的强度。历次大地震中结构特别是延性结构的破坏 实例以及地震反应分析的结果均证实了上述结论。 基于性能的设计方法主要包括推倒分析法、能力谱法、基于位移 的设计方法以及基于地震损伤性能的设计方法等。 建立在对目标位移或形成机构的思想上的塑性倒塌机构(推倒) 分析(即)方法,体现的是基于结构位移性能的抗震思想,因 此随着年代以后基于结构位移性能的抗震设计的概念提出和广

6、 泛接受,使得该方法得到重视和发展。 推倒分析法本质上是一种与反应谱相结合的静力弹塑性分析法,它是按一定的水平荷载加载方式,对结构施加单调递增的水平 荷载,逐步将结构推至一个给定的目标位移来研究分析结构的非线 形性能,从而判断结构及构件的变形、受力是否满足设计要求。它基 于以下两个基本假定:()结构的反应与该结构的等效单自由体系 反应相关,这表明结构的反应仅由结构的第一振型控制。()在整个 地震反应过程中,结构的形状向量保持不变。严格的说,这两个假定 是不完全准确的,但是研究表明,这些假定能够很好的预测多自由 度体系的地震反应,并且这些地震反应确实是由第一振型控制的。其优点突出体现在:与振型分

7、解反应谱法相比较,它考虑了结构的 弹塑性特性;与时程分析法相比较,其输人数据简单,工作量较小。 在推倒分析法的基础上,发展起来一种介于结构弹塑性动力分 析和弹性动力分析之间的结构抗震性能评估法 能力谱法,属于 简化弹塑性评估方法(也有人把它归为推倒分析方法中的一部分)。该法把加速度 位移格式的结构能力谱与代表地震需求的反应谱 相比较,可以非常直观地评估结构的地震性能。能力谱与需求谱的 交点,表示地震需求;能力谱的末点表示结构的极限能力。如果结构 的能力谱穿过需求谱,即表示该结构可以抵抗与需求谱相应大小的 地震作用。 在年提出能力谱的概念,并在年将能力谱方 法中的需求谱表示为加速度 位移格式()

8、,美国国家防震减 灾纲要()推荐该方法为评价和设计结构安全性的方法。与以 力为基础和以位移为基础的两种抗震设计方法相比,能力谱方法的 特点是将能力和需求用位移 加速度关系图给出,表征结构性能 的个基本参数(强度,位移,延性,弹性刚度)分别由加速度,位 移,延性系数和弹性周期表示,能力需求图能清晰地表示出 结构的抗震能力与其地震响应的关系,概念明确,能力谱方法与非 线性动力时程分析方法相比,计算工作量大为减少,却能提供结构 在给定地震下的弹塑性反应,且可作为一种简化分析工具应用于抗 震设计。 工程建设与管理 中国高新技术企业 (上接页) 避免出现计算程序难以准确模拟的结构图式;建议跨径大于米的直

9、桥均采用预应力混凝土结构,以改善桥梁的应力状态。 施工方面应确保每个环节都按相关的规范施工,确保施工支架强度、刚度满足规范要求;注意大体积混凝土的浇筑顺序并选择合适的合拢时间;混凝土强度、弹性模量未达到设计要求前,确勿开放使用。 参考文献 范立础桥梁工程人民交通出版社车宏亚,于庆荣,戴自强钢筋混凝土结构原理天津大学出版社 ,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 ,公路桥涵施工技术规范 ,城市桥梁设计荷载标准 ,公路工程质量检验评定标准 大跨径混凝土桥梁的试验方法 (作者单位系中国华西工程设计建设有限公司深圳分公司) 基于位移的设计方法以结构的允许位移为出发点,在设计的最后以结构构件的强度进

10、行检验。从单自由度系统出发,研究并给出了基于位移的抗震设计方法的详细步骤,并以地震区钢筋混凝土桥墩为例,进行了基于位移的设计。采用替代结构法,把多自由度结构等效为一单自由度系统,给出了多自由度桥梁结构基于位移的迭代式抗震设计方法,还以对称及不对称桥梁为例,进行了基于位移的设计,并与规定的基于力的设计方法得到的桥梁进行了比较。倪永军比较了我国主要抗震设计规范的设计谱曲线与由规范所转化的谱进行了比较,并建议了与谱相容的位移设计谱;弓俊青提出了一种采用非线性位移设计谱的抗震设计方法。 除上述设计方法外,欧进萍、王光远()提出的钢筋混凝土结构基于地震损伤性能的设计方法为抗震设计方法开辟了另一个新的领域

11、。近年来,地震损伤分析在抗震评估、加固以及能力设计中的应用越来越引人注目,采用损伤指数及其数学模型来描述结构损伤的手法,简明扼要,极具吸引力。基于地震损伤性能的设计方法考虑了大震作用下结构的最大变形和累积滞变耗能,并且将性能目标量化为损伤指数,非常直观,便于为设计人员掌握。但目前这一方法仍处于框架阶段,许多技术问题需要进一步研究解决,尤其是这一方法如何在桥梁结构中应用以及其在不同性能目标下的损伤指数的确定。 为了提高结构的抗震性能,年美国学者等人提出了基于性能的抗震设计)思想。由于这一问题的复杂性和开放性,迄今为止,基于性能的抗震设计仍然处于框架阶段,许多技术问题需要进一步研究解决,包括性能水

12、准、非结构构件的设计以及性能目标的量化等等。 的核心内容包括,提出了四种结构性能水准和地震设防水准以及三种性能目标。其特点集中体现在四个方面,即建筑结构性能水准、性能目标以及设防水准的具体化;追求服务期内建筑物的“最佳经济效益 成本比”:提供最低性能目标要求,强调业主参与的个性化;重视建筑物的系统工程。结构抗震性能目标的确定,包括选取合理的性能参数和设定预期的性能目标,是基于性能抗震设计的基础。性能目标的量化可以有多种形式,诸如位移、能量或损伤目标等。地震损伤是破坏结构使用功能和导致结构倒塌的主要原因。提出的意义在于两个方面,一则强调地震工程的系统性和社会性;二则对现行抗震规范中设计原则不合理

13、之处进行修订。 概率性抗震分析方法及虚拟激励法 随着人们对地震认识的进一步深入,由于震源与介质中许多偶然因素的影响,地震动具有明显的随机性,意识到地震过程具有明显的随机特征,宜将地震动作为随机过程来模拟。随机反应研究的问题是,在已知统计特征的随机干扰下,求结构体系反应的统计特征,即平均值、方差、相关函数、谱密度等,或具有给定概率的最大值。对计算出的统计特性的响应值,还需要转换成便于工程设计应用的量,如位移,内力等。常用的方法有基于过程假定的法和基于假定的法。 功率谱法较充分地考虑了地震发生的统计概率特性,是一种概率性分析方法。功率谱法有以下几个优点:无须寻找振型组合方法,可以直接使用峰值因子乘

14、以计算所得方差得到反应的最大值,物理概念清晰,具有明确的概率意义。虽然对具体结构的峰值因子确定有一定困难,但它是一个数值,确定它容易操作,何况已经建立了相应的理论计算方法,对于不同的结构或构件,也可以通过数值模拟技术确定。功率谱密度只与地震动过程性质相关,而与阻尼比等结构特性无关。目前的完全二次方组合()等常用的反应谱组合方法和工程人造地震波合成方法都需要借助于功率谱这一中间环节。 功率谱法在分析复杂的桥梁结构模型上,仍然受到计算方法的困扰而在工程领域远未得到充分应用,其瓶颈则是计算的复杂性和低效率。 近年来出现的虚拟激励法作为一种新的随机响应分析方法,可以对认为很困难的多点非均匀激励问题作精

15、确高效的计算。目前,虚拟激励法己构成了一个比较完整的系统。对于线性时不变结构受平稳非平稳,完全相干部分相干,均匀调制非均匀调制演变随机激励下的随机响应分析都可以高效精确地完成。虚拟激励法主要特点是将平稳随机响应分析转化为简谐响应分析,将非平稳随机响应分析转化为确定性时间历程分析,从而可以用工程人员熟悉的确定性动力分析方法实现随机振动的求解。该法自动包含了全部参振振型之间的互相关项及全部随机激励之间的互相关项,本质上是精确解法。对于大型复杂工程结构,其计算效率比传统算法可提高达个数量级。在普通计算机上即可完成有上万自由度,上百激励点的结构平稳非平稳随机振动分析。它以计算力学的手段有力地推动了随机振动这门学科在工程中的广泛应用。 结语 目前用于桥梁抗震设计的方法很多,各有优缺点,大部分都是基于计算机程序化计算。在实际工程实践中,应根据不同的结构形式和设计要求合理选择抗震设计方法。在当前的桥梁抗震设计方法中最为常用的是反应谱法和动力时程分析方法,但是对于桥梁结构中的高墩、大跨结构应进行动力时程分析方法,考虑桩土相互作用与行波效应来合理真实地模拟结构的地震响应,以保证桥梁的安全性。 (作者单位系湖南省岳阳市公路局) ! 工程建设与管理

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