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論述公路橋梁震害現(xiàn)象、原因及其經(jīng)驗教訓(xùn)一.概述地震經(jīng)常發(fā)生,據(jù)統(tǒng)計全世界每年可達數(shù)百萬次,但其中絕大多數(shù)是小地震,不為人們所感覺,只有極少量震級M(見地震烈度)在5級以上的較強烈的地震會造成災(zāi)害,平均每年只有十多次。如中國1976年7月28日3時42分56秒在唐山豐南的強地震(M=7.8),該地區(qū)公路中等跨度簡支梁橋的震害大都是擺柱式支座傾倒、固定支座齒板剪脫滑出,有的是墩臺傾斜,樁柱式墩的基樁折斷,甚至墩倒梁落(見圖);而柔性樁墩的雙曲連續(xù)拱橋的震害多為主拱圈和拱上建筑的小拱圈嚴重開裂,個別有主拱圈拱起而嚴重破壞。該地區(qū)的鐵路橋梁因橋墩基礎(chǔ)較好,側(cè)向剛度較強,震害嚴重程度比公路橋稍輕,如墩臺沿施工接縫處開裂或被剪斷,鋼支座的錨固螺栓被拉出而移位,但落梁事故較少。在其他多地震國家如日本,橋梁震害也以中小跨度的橋梁為多。日本1964年7月新潟地震(M=7.5)時,昭和大橋因河床土層液化導(dǎo)致墩臺基礎(chǔ)大規(guī)模下沉而落梁。大跨度的懸索橋和斜張橋尚無因地震墜落的事例,但在日本一些輕便懸索橋有塔柱折斷,纜索破壞的震害。在多地震國家如日本、美國都積極開展這類大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的抗震研究。中國也正在研究地震區(qū)天津市郊建造大跨預(yù)應(yīng)力混凝土斜張橋的抗震性能。直接起因①在強烈地震時,地形地貌產(chǎn)生劇烈的變化(如地裂、斷層等),河流兩岸地層向河心滑移等導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的破壞;②地震時河床砂土液化,地基失效,橋梁墩臺基礎(chǔ)大量下沉或不均勻下沉引起的破壞;③在地震慣性力作用下,導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)某一部分產(chǎn)生的內(nèi)力或變位超過結(jié)構(gòu)構(gòu)造和材料強度所能承受的限度,從而發(fā)生不同程度的破壞。三.抗震措施為防止或減輕震害,提高結(jié)構(gòu)抗震能力,對結(jié)構(gòu)構(gòu)造所作的改善和加強處理,通常稱為抗震措施。各國的工程結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范對此都有明確的規(guī)定。而具體的針對性減隔震措施有:1.阻尼器、鎖定裝置和緩沖器。利用了結(jié)構(gòu)本身的延性或外加阻尼來消耗地震作用的能量,以減少橋梁的主要結(jié)構(gòu)損失,這類技術(shù)在蘇通長江大橋主橋上采用過。其中鎖定裝置對結(jié)構(gòu)運動起到一種快速停止的作用,而阻尼器對結(jié)構(gòu)運動起到耗能,衰減振動的作用,從而有效減震。2.各種減隔震支座。其中包括疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、鋼耗能體系、回彈滑動支座、摩擦擺支座等等。支座的設(shè)置有效地對地震進行了緩沖。地震具有突發(fā)性與毀滅性,一次地震,持續(xù)時間往往只有幾十秒,卻會造成巨大的生命財產(chǎn)損失,這是其它自然災(zāi)害無法相比的。歷來是嚴重危害人類的大自然災(zāi)害,尤其是最近20年全球發(fā)生的許多次大地震,其中,多次破壞性地震都集中在城市,造成了非常慘重的生命財產(chǎn)損失。城市地震的共同特點是:由于橋梁工程遭到嚴重破壞,切斷了震區(qū)交通生命線工程,造成救災(zāi)工作的巨大困難,使次生災(zāi)害加重,對交通線的依賴性越來越強,而一旦地震使交通線遭到破壞,可能導(dǎo)致的生命財產(chǎn)以及間接經(jīng)濟損失也將會越來越大。數(shù)次大地震一再顯示橋梁工程破壞的嚴重后果,也再次顯示了橋梁工程抗震研究的重要性。四.設(shè)計方法

4.1.靜力法

早期結(jié)構(gòu)抗震計算采用的是靜力理論。靜力計算理論假設(shè)結(jié)構(gòu)物各個部分與地震動具有相同的振動。此時,結(jié)構(gòu)物只受慣性力的作用(等于地面運動加速度乘以結(jié)構(gòu)物質(zhì)量)。即忽略地面運動特性與結(jié)構(gòu)的動力特性因素,只是簡單地把結(jié)構(gòu)在地震時的動力反應(yīng)看作是靜止的地震慣性力。在地震慣性力的作用下分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。1915年,佐野提出震度法,即根據(jù)靜力法的概念提出以結(jié)構(gòu)的10%的重量作為水平地震荷載,于1923年關(guān)東大地震后的次年建立了最早的橋梁下部結(jié)構(gòu)工程的抗震分析方法。從動力學(xué)的角度分析,把地震加速度看作是結(jié)構(gòu)破壞的單一因素有極大的局限性,因為它忽略了結(jié)構(gòu)的動力特性這一重要因素。只有當結(jié)構(gòu)物的基本固有周期比地面卓越周期小很多時,結(jié)構(gòu)物在地震振動時才可能幾乎不產(chǎn)生變形而被當作剛體,靜力法才能成立。由于其理論上的局限性,已較少使用,但其概念簡單,計算公式簡明扼要,在橋臺和擋土結(jié)構(gòu)等質(zhì)量較大的剛性結(jié)構(gòu)的抗震計算中仍常常用到。

4.2.彈性反應(yīng)譜法

反應(yīng)譜法是當前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中廣泛使用的方法。反應(yīng)譜法是采用“地震荷載”的概念,從地震動出發(fā)求結(jié)構(gòu)的最大地震反應(yīng),但同時考慮了地面運動和結(jié)構(gòu)的動力特性,比靜力法有很大的進步。反應(yīng)譜是不同固有頻率的單質(zhì)點體系在一定阻尼系數(shù)的條件下輸入不同地面運動后得到的位移反應(yīng)、速度反應(yīng)和加速度反應(yīng)最大值的平滑處理過的外包絡(luò)曲線。反應(yīng)譜法用于抗震計算包括三個基本步驟:第一步是獲得地震動反應(yīng)譜;第二步是將結(jié)構(gòu)振動方程進行振型分解,將物理位移用振型廣義坐標表示,而廣義坐標的最大值由第一步中所得反應(yīng)譜求得;第三步是反應(yīng)量的最大值可通過適當?shù)姆椒▽⒏髡裥头磻?yīng)最大值進行線性疊加,得出這項反應(yīng)的最大值。

反應(yīng)譜法概念簡單,計算方便,可以用較小的計算量獲得結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)值。采用反應(yīng)譜法只需取少數(shù)幾個低階振型就可以求得較為滿意的結(jié)果,計算量少,且反應(yīng)譜法將動力問題轉(zhuǎn)化成擬靜力問題,易為工程師所接受。采用反應(yīng)譜法不能考慮多點激勵,不能進行非線性地震反應(yīng)分析。

4.3.時程分析法

動態(tài)時程分析法從選定合適的地震動輸入出發(fā),采用多節(jié)點多自由度的結(jié)構(gòu)有限元動力計算模型建立地震振動方程,然后采用逐步積分法對方程進行求解,計算地震過程中結(jié)構(gòu)每一瞬時的位移、速度和加速度反應(yīng),從而可以分析出結(jié)構(gòu)在地震作用下彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化以及構(gòu)件逐步開裂、損壞直至倒塌的全過程。這一計算過程相當冗繁,須借助專用計算程序完成。動態(tài)時程分析法可以精確地考慮地基和結(jié)構(gòu)的相互作用,地震時程相位差及不同地震時程多分量多點輸入,結(jié)構(gòu)的各種復(fù)雜非線性因素(包括幾何、材料、邊界連接條件非線性)以及分塊阻尼等問題,

建立結(jié)構(gòu)動力計算圖式和相應(yīng)地震振動方程,使結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)分析更趨于成熟與完善。

4.4.Push—over法

Push—over分析方法是將地震荷載等效成側(cè)向荷載,通過對結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增水平荷載來進行分析的一種非線性靜力分析方法,它研究結(jié)構(gòu)在地震作用下進入塑性狀態(tài)時的非線性性能。采用對結(jié)構(gòu)施加呈一定分布的單調(diào)遞增水平力的加載方式,用二維或偽三維力學(xué)模型代替原結(jié)構(gòu),按預(yù)先確定的水平荷載加載方式將結(jié)構(gòu)“推”至一個給定的目標位移,來分析其進入非線性狀態(tài)的反應(yīng),從而得到結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的變形能力是否滿足設(shè)計及使用功能的要求。盡管這一方法還有待進一步完善,但它基本可以滿足工程要求。對于橋梁結(jié)構(gòu)來說,Pushover分析方法通常將相鄰伸縮

縫之

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