工程結(jié)構(gòu)抗震論文報(bào)告

1、工程結(jié)構(gòu)抗震方法課程報(bào)告劉 興 順（昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650093）摘 要：路線是一種線狀工程構(gòu)造物,所經(jīng)過(guò)的自然地理環(huán)境復(fù)雜多變,經(jīng)常遭受自然災(zāi)害的破壞。其中地震對(duì)公路工程具有極大的破壞作用,常常造成嚴(yán)重的交通中斷。國(guó)內(nèi)外的地震災(zāi)害表明,交通網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)社會(huì)生命線抗震防災(zāi)系統(tǒng)中越來(lái)越重要。震區(qū)橋梁的損壞坍塌,不僅阻礙當(dāng)時(shí)的救援工作,而且影響災(zāi)后的救援工作。所以對(duì)橋梁抗震應(yīng)給予充分的重視。關(guān)鍵字：邁達(dá)斯；簡(jiǎn)支空心板橋；包絡(luò)圖；應(yīng)力圖Course report of seismic method for engineering structuresLiu Xingshun(F

2、aculty of Architecture and Civil Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093)Abstract:The route is a kind of linear engineering structure, and the natural environment is complex and changeable, and it is often destroyed by natural disasters. Earthquakes have great

3、damage to highway engineering, often causing severe traffic disruption. The earthquake disaster at home and abroad shows that the transportation network is increasingly important in the earthquake disaster prevention system of the whole social lifeline. The earthquake damaged the bridge co

4、llapse, not only hinder the rescue work, and the impact of the disaster relief work. So the earthquake should give the full attention to the bridge.Key words: Midas; simply supported hollow slab; envelope; stress1 概述近幾年來(lái)，世界各地強(qiáng)震不斷，汶川等地震給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大危害。地震使交通系統(tǒng)嚴(yán)重毀壞，地震造成的交通中斷直接影響著救災(zāi)工作的進(jìn)行，擴(kuò)大了次生災(zāi)害損失，使

5、生命財(cái)產(chǎn)遭受巨大損失。近 30 多年來(lái)，地震災(zāi)害的沉痛教訓(xùn)不斷地警示著世人，使人們對(duì)橋梁的抗震研究工作逐漸受到重視，橋梁抗震理論及技術(shù)水平日漸提高。簡(jiǎn)要敘述了橋梁抗震研究中概念、分析方法、設(shè)計(jì)方法、抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、減震加固技術(shù)的歷史概況和現(xiàn)狀，并展望了今后橋梁抗震研究的發(fā)展趨勢(shì)。2 橋梁抗震研究的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)盡管在 1926 年，就有了第一部涉及橋梁抗震設(shè)計(jì)條款的規(guī)范關(guān)于公路橋梁細(xì)則草案1，與建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究相比，橋梁抗震研究相對(duì)滯后，但是在近 30 多年來(lái)，每次慘痛的地震災(zāi)害發(fā)生后，橋梁抗震理論和技術(shù)水平都會(huì)邁上一個(gè)新的臺(tái)階。 1981 年美國(guó)聯(lián)邦公路局出版了橋梁抗震設(shè)計(jì)指南，經(jīng)過(guò)不斷的應(yīng)用與

6、修改，于 1992 年納入了美國(guó)公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也就是常說(shuō)的 AASHTO 規(guī)范。在 1971 年 San Fernando 地震后，提出了生命線工程的概念，延性抗震設(shè)計(jì)也開(kāi)始被各國(guó)重視2。在 1996 年頒布的道路橋示方書·同解說(shuō)耐震設(shè)計(jì)篇中3，重新確定了地震作用，明確了震度法、保有水平耐力法及動(dòng)力反應(yīng)法使用范圍，改善了橋墩變形能力的計(jì)算方法和地基液化的判別方法，增加了減隔震設(shè)計(jì)等內(nèi)容，這是自 1980 年頒布此部規(guī)范以來(lái)的第二次修訂，上一次修訂是 1990 年。在我國(guó)大地震中交通運(yùn)輸嚴(yán)重受損，尤其唐山大地震。地震中橋梁破壞嚴(yán)重，去往唐山地區(qū)的交通癱瘓，使運(yùn)輸物資、救援傷員遭受極

7、大阻力4。此后交通系統(tǒng)的抗震分析和研究得到了發(fā)展，可以說(shuō)唐山地震是我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從此，抗震研究及設(shè)計(jì)在橋梁建設(shè)中日益受到重視。1977 年我國(guó)頒布了公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，此后又進(jìn)行了修改，并于1989 年公布，這就是現(xiàn)行的公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ 004-89)5。公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ 004-89)已經(jīng)使用了近 20 年，目前交通部已經(jīng)要求有關(guān)單位進(jìn)行修訂。1994 年國(guó)務(wù)院提出未來(lái)10 年的防震減災(zāi)目標(biāo)，1998 年我國(guó)第一部規(guī)范防災(zāi)減災(zāi)工作的重要法律中華人民共和國(guó)防震減災(zāi)法頒布，它標(biāo)志著我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)工作已經(jīng)納入法制化管理軌道，進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)地震工程的實(shí)際

8、應(yīng)用和發(fā)展。3 橋梁地震反應(yīng)分析的研究現(xiàn)狀3.1 地震動(dòng)輸入地震發(fā)生的時(shí)間、空間和強(qiáng)度特征不僅隨時(shí)間變化，而且具有明顯的隨機(jī)性，合理的確定地震動(dòng)輸入方式是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析的基本問(wèn)題。在對(duì)橋梁進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，對(duì)于地震動(dòng)輸入方式存在著較大的誤差和不確定性，到目前為止，這個(gè)基本問(wèn)題還未能得到很好解決。規(guī)范常用的地震動(dòng)輸入的方式有地震加速度反應(yīng)譜、地震動(dòng)加速度時(shí)程，也就是說(shuō)加速度是輸入的主要方式，這種加速度反應(yīng)譜在描述地面運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)周期特征方面存在不足。我國(guó)現(xiàn)行公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ004-89)5所采用的反應(yīng)譜曲線是由動(dòng)力放大系數(shù) 表示的，常稱為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，它是在對(duì) 1050條國(guó)內(nèi)外地震

9、加速度記錄反應(yīng)譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)四類不同場(chǎng)地條件給出的，如圖 1所示。彈塑性位移譜的建立主要是基于等延性的強(qiáng)度折減系數(shù)譜通過(guò)彈性位移譜間接得到。地震動(dòng)最不利輸入方向也是地震動(dòng)輸入研究的一個(gè)內(nèi)容。美國(guó) AASHTO 規(guī)范6中規(guī)定水平地震作用按兩個(gè)相互垂直方向分別輸入，兩個(gè)互相垂直的方向?yàn)榭v橋向和橫橋向，如果是彎橋，將兩橋臺(tái)的連線作為縱向軸線，與其垂直的軸線為橫橋向，在分別計(jì)算兩方向的響應(yīng)后進(jìn)行組合，取最不利結(jié)果。歐洲的 EUROCODE87規(guī)范規(guī)定輸入水平和豎向三個(gè)方向的地震作用，結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)通過(guò)各個(gè)方向最大地震效應(yīng)的平方和開(kāi)平方后得到。日本道路橋示方書·同解說(shuō) V 耐震性能

10、篇3則規(guī)定一般考慮兩個(gè)正交水平地震作用；對(duì)于支承構(gòu)件，要求考慮豎向地震作用。我國(guó)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ 004-89)5規(guī)定計(jì)算地震荷載時(shí)，要求分別考慮順橋和橫橋兩個(gè)方向的水平地震荷載。從目前的研究成果來(lái)看，關(guān)于最不利輸入方向的標(biāo)準(zhǔn)存在三種觀點(diǎn)：一是以能量為標(biāo)準(zhǔn)；二是以屈服面函數(shù)為確定最不利輸入方向的標(biāo)準(zhǔn)8；三是采用位移延性和滯回能分析最不利地震動(dòng)輸入9。3.2 地震反應(yīng)分析方法地震作用理論研究地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)取決于地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性兩個(gè)方面，因此，地震反應(yīng)分析方法的發(fā)展是隨著人們對(duì)這兩方面的認(rèn)識(shí)逐漸深入而提高的。橋梁結(jié)構(gòu)地震分析方法也隨著地震災(zāi)害的

11、不斷發(fā)生經(jīng)歷了從靜力法到動(dòng)力法(包括反應(yīng)譜方法和時(shí)程分析方法)的演變過(guò)程。目前世界各國(guó)的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中5采用確定性分析方法，主要有靜力法、反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法和非線性靜力分析法，其中前兩種方法是主要的分析方法，時(shí)程分析法是一種輔助校核方法，而非線性靜力分析法則用于確定橋梁結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制和抗震能力的評(píng)估。3.3 地基與結(jié)構(gòu)的相互作用土與結(jié)構(gòu)相互作用的研究以 1936 年基礎(chǔ)振動(dòng)問(wèn)題的 Reissner理論的提出為起點(diǎn)經(jīng)歷了基本理論準(zhǔn)備階段、計(jì)算方法研究階段和深化階段，發(fā)展至今成為研究的活躍領(lǐng)域。土與結(jié)構(gòu)的相互作用可能放大結(jié)構(gòu)響應(yīng)，產(chǎn)生不利影響，也可能降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)，這就使該問(wèn)題的研究具有雙重意

12、義：一是，結(jié)構(gòu)在遭遇地震時(shí)的安全性；二是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。研究?jī)?nèi)容歸納為：自由場(chǎng)地的地震反應(yīng)、基礎(chǔ)地震響應(yīng)、土與結(jié)構(gòu)相互作用的計(jì)算模型及分析方法的研究。土體響應(yīng)分析方法有一維分析方法、二維分析方法和三維分析方法，見(jiàn)表 1。采用子結(jié)構(gòu)法分析土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用，主要解決三個(gè)問(wèn)題：源問(wèn)題、阻抗函數(shù)問(wèn)題和由模擬彈簧及阻尼器支承的結(jié)構(gòu)在給定基礎(chǔ)振動(dòng)下的反應(yīng)問(wèn)題，其中第二個(gè)問(wèn)題是子結(jié)構(gòu)法需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。集中參數(shù)法是將半無(wú)限地基簡(jiǎn)化為彈簧-阻尼-質(zhì)量系統(tǒng)，這種方法概念明確，方便工程應(yīng)用，該方法常采用的計(jì)算模型有 SR 模型和并列質(zhì)點(diǎn)系模型(Penzien 模型10)。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)是廣泛采用的

13、基礎(chǔ)形式，因此樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用成為土與結(jié)構(gòu)相互作用研究的復(fù)雜問(wèn)題之一。模型假定樁側(cè)土是 Winkler 連續(xù)介質(zhì)，以彈性半空間的Mindlin 解答，或由公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ 024-85)給出的 m 法確定土體動(dòng)力相互作用的水平剛度系數(shù)，將樁-土體系的質(zhì)量按一定的厚度簡(jiǎn)化并集中為一系列質(zhì)點(diǎn)，離散成理想化的參數(shù)系統(tǒng)，并用彈簧和阻尼器模擬土介質(zhì)的動(dòng)力性質(zhì)，形成一個(gè)包括地下部分的多質(zhì)點(diǎn)體系。另外，土與結(jié)構(gòu)的相互作用改變了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)，隨著結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的發(fā)展與應(yīng)用，為了能夠得到預(yù)期的減震效果，應(yīng)考慮土與結(jié)構(gòu)的相互作用。雖然目前在土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的理論和計(jì)算方法方面

14、都取得了較大的進(jìn)展，在線性分析方面已經(jīng)具備了求解各類問(wèn)題的能力，但是由于土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用問(wèn)題的復(fù)雜性，各種假設(shè)、簡(jiǎn)化造成由不同方法得到的結(jié)構(gòu)和地基反應(yīng)有較大的差別，因此，目前土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的發(fā)展水平與工程之間仍存在相當(dāng)大的差距。3.4 橋梁結(jié)構(gòu)非線性問(wèn)題非線性問(wèn)題可以分為三類：幾何非線性問(wèn)題、材料非線性問(wèn)題以及狀態(tài)非線性問(wèn)題。在橋梁抗震分析中涉及到的非線性主要有：幾何非線性(梁-柱效應(yīng)、大變形效應(yīng)和纜索垂度)；支座、伸縮縫、擋塊、減隔震裝置等邊界及連接單元的非線性；地基土體的非線性；強(qiáng)震作用下，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的非線性行為，如碰撞、損傷等。橋梁結(jié)構(gòu)的幾何非線性的研究已經(jīng)比較成熟，各種程序都

15、可以實(shí)現(xiàn)；邊界及連接單元的非線性模擬，需要通過(guò)大量的動(dòng)力試驗(yàn)獲得，尤其是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，新型支座和新型減隔震裝置層出不窮，試驗(yàn)研究是驗(yàn)證其功能性和安全性的必要手段。4 橋梁地震反應(yīng)分析的研究現(xiàn)狀橋梁抗震的設(shè)計(jì)方法也從地震經(jīng)驗(yàn)中得到了不斷的改進(jìn)與發(fā)展，由起初的單一強(qiáng)度控制到強(qiáng)度、位移雙標(biāo)準(zhǔn)控制，到現(xiàn)在是多指標(biāo)的結(jié)構(gòu)性能控制，歸納起來(lái)，橋梁的抗震設(shè)計(jì)方法主要有基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)、基于位移設(shè)計(jì)、基于性能的抗震設(shè)計(jì)、基于能量設(shè)計(jì)以及能力抗震設(shè)計(jì)方法。從實(shí)際地震中觀察到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)性能表明，只要能夠維持結(jié)構(gòu)的初始強(qiáng)度，不出現(xiàn)由于非彈性變形的加劇而導(dǎo)致的強(qiáng)度驟降，結(jié)構(gòu)就能在地震中幸存，而且震后維修費(fèi)用不會(huì)很高

16、。20 世紀(jì)60 年代，以 Newmark 為首的研究者們提出用“延性”這個(gè)簡(jiǎn)單概念來(lái)概括結(jié)構(gòu)物超過(guò)彈性階段的抗震能力，延性大小是結(jié)構(gòu)物抗震能力強(qiáng)弱的重要標(biāo)志。在 1971 年美國(guó) San Fernando 地震中，許多按照新的抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑、橋梁結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的原因并不是強(qiáng)度不足，而是由于地震激起的反復(fù)的彈塑性變形循環(huán)，超出了結(jié)構(gòu)的滯回延性，此后，延性抗震才真正得到重視?；谖灰频脑O(shè)計(jì)方法在 20 世紀(jì) 50年代就有人提出，直到 20 世紀(jì) 90 年代初期，美國(guó)加州大學(xué)Berkley 分校 Moehle J P 提出了基于位移的抗震設(shè)計(jì)理論，他提出基于位移的抗震設(shè)計(jì)要求進(jìn)行結(jié)

17、構(gòu)分析，使結(jié)構(gòu)的塑性變形能力滿足在預(yù)期地震作用下的變形要求，這一全新的概念最早應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)。這種方法被加州交通局 Caltrans 抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則12所采用。另一方面，這種抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)于延性結(jié)構(gòu)或延性構(gòu)件是可取的，但是，對(duì)于由強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)的脆性結(jié)構(gòu)或延性結(jié)構(gòu)中的脆性構(gòu)件，采用這種方法也是不適合的。出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，在確保生命安全的前提條件下，容許工程結(jié)構(gòu)在遇到破壞性地震時(shí)有一定程度的破壞。然而，近代的幾次地震災(zāi)害中，人員傷亡減少了，經(jīng)濟(jì)損失卻非常大，于是各國(guó)地震工程研究者就對(duì)過(guò)去長(zhǎng)期視為正確的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行反思，認(rèn)為抗震設(shè)計(jì)除了應(yīng)考慮人身安全外，還應(yīng)控制結(jié)構(gòu)破壞所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失，基于性能

18、的抗震設(shè)計(jì)就是在這種背景下產(chǎn)生了。這是工程抗震發(fā)展史上的一個(gè)重要的里程碑，抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)從“力”的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到結(jié)構(gòu)物整體抗震性能的設(shè)計(jì)。此外，一些學(xué)者還提出基于能量的設(shè)計(jì)方法，該方法是以輸入結(jié)構(gòu)的能量為設(shè)計(jì)依據(jù)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能夠吸收從地面輸入的能量而不致破壞。有許多人對(duì)此進(jìn)行了研究，但還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用階段。5 結(jié)論通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震心得，感覺(jué)今后能在以下領(lǐng)域有新的突破：1) 構(gòu)造細(xì)節(jié)。目前橋梁抗震設(shè)計(jì)中有許多問(wèn)題不能定量描述，仍需根據(jù)震害、概念設(shè)計(jì)及定性研究的成果提出細(xì)部構(gòu)造。美國(guó)、日本、歐洲橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造都比較重視，我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于細(xì)部構(gòu)造也比較詳細(xì)，工程師在設(shè)

19、計(jì)時(shí)比較容易操作。與之相比，我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)條款比較粗糙。2) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及性能的定量研究。橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是我們?nèi)栽诿媾R的問(wèn)題，尤其是大跨度橋梁的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)目前沒(méi)有定論。許多專家、學(xué)者一直在提倡分級(jí)設(shè)防，對(duì)于每一級(jí)別結(jié)構(gòu)的性能要求也進(jìn)行了定性描述，對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)這些定性的描述無(wú)法指導(dǎo)設(shè)計(jì)，只有將這些描述量化到強(qiáng)度、變形、延性等才能真正實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)、多設(shè)防的目標(biāo)。3) 減隔震技術(shù)的研究與應(yīng)用。美國(guó)、日本等抗震先進(jìn)國(guó)家推薦使用新技術(shù)保障結(jié)構(gòu)地震安全，在存在問(wèn)題的大橋上安裝阻尼器，如美國(guó) Los Angeles 的 I-5 和 91 號(hào)高速公路連 接 橋 、 美 國(guó) Saint

20、 Louis 的 Poplar 街 橋 和Abernethy 大橋、美國(guó) San Francisco-Okaland 海灣大橋、英國(guó) Millennium 橋等都安裝了粘滯阻尼器。耗能減震技術(shù)在我國(guó)橋梁上的應(yīng)用實(shí)例較少，我國(guó)首座在減震加固補(bǔ)強(qiáng)中使用阻尼器的是江陰大橋，主要是以減少橋梁縱橋向地震反應(yīng)為主，而且耗能減震裝置的設(shè)計(jì)、制作仍以國(guó)外技術(shù)為主導(dǎo)，直接影響著新技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用。在我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2001)17中增加了“隔震與消能減震設(shè)計(jì)”，給出了基本原則和方法，雖然條文敘述簡(jiǎn)單，但是體現(xiàn)出振動(dòng)控制已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要部分。我國(guó)現(xiàn)行公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)

21、范(JTJ 004-89)是 20 世紀(jì) 80 年代末制訂的，沒(méi)有振動(dòng)控制的相關(guān)內(nèi)容，應(yīng)盡快將其納入設(shè)計(jì)規(guī)范，以推動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)在橋梁減隔震技術(shù)的發(fā)展。另外，新材料的研發(fā)與應(yīng)用也應(yīng)作為這一時(shí)期的重要研究?jī)?nèi)容。參 考 文 獻(xiàn)：1 范立礎(chǔ). 橋梁抗震M. 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社, 1997.Fan Lichu. Seismic design for highway bridge M.Shanghai: Tongji University Press, 1997. (in Chinese)2 王克海, 李茜, 韋韓. 國(guó)內(nèi)外延性抗震設(shè)計(jì)的比較J. 地震工程與工程振動(dòng), 2006, 26(3): 70

22、73.Wang Kehai, Li Qian, Wei Han. Comparingspecifications on ductility design J. EarthquakeEngineering and Engineering Vibration, 2006, 26(3):7073. (in Chinese)3 日本道路協(xié)會(huì). 道路橋示方書·同解說(shuō) V 耐震性能篇S. 1996.Japan road association. Design specifications of highwaybridges part V seismic design S. 1996. (in C

23、hinese)4 劉恢先. 唐山大地震震害M. 北京: 地震出版社, 1986.Liu Huixian. Tangshan earthquake damage M. Beijing:Earthquake Press, 1986. (in Chinese)5 中華人民共和國(guó)交通部. 公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ004-89)S. 北京: 人民交通出版社, 1989.The ministry of communications of China. Specificationsof earthquake resistant design for highway engineeringS. Beijing: China Communications Press, 1989. (inChinese)6 AASHTO. Standard specifications fo