桥梁抗震2.doc

浅析桥梁抗震及减隔振技术摘 要：针对桥梁工程的地震破坏,从震害形式、抗震设计方法和减隔震技术的发展等方面对桥梁抗震技术作了论述，表明伴随桥梁抗震设计方法和减隔震技术的发展，桥梁震害将大大减轻。 关键词：桥梁震害，抗震设计，减隔震一、 桥梁震害概述近几年来，世界各地强震不断，汶川等地震给人民的生命财产带来巨大危害。据专家预测，目前地震活动较为活跃，地球正处于地震活跃期，桥梁是生命线工程中的关键部分，因此桥梁抗震设计应坚持 “最强设计原则”，满足大震后应急通行功能，设计多道抗震防线，确保足够的冗余度和良好的结构屈服机制。如何做好新建桥梁的抗震设计是关乎经济、安全、抗震救灾的重要课题。桥梁作为重要的社会基础设施，投资大、公共性强、维护管理困难。提高桥梁的抗震性能是减轻地震损失加强区域安全的基本措施之一。按照地震的不同成因，我们可以把地震划分为四类：1. 构造地震：构造地震发生的原因，是地下岩层受地应力的作用，当所受的地应力太大，岩层不能承受时，就会发生突然、快速破裂或错动，岩层破裂或错动时会激发出一种向四周传播地地震波，当地震波传到地表时，就会引起地面的震动。世界上85%90%的地震以及所有造成重大灾害的地震都属于构造地震。2. 火山地震：由于火山爆发引起的地震。3. 诱发地震：特定的地区因某种地壳外界因素诱发而引起的地震。4. 陷落地震：由于地层陷落引起的地震。地震烈度，即地震发生时，在波及范围内一定地点地面振动的激烈程度。（或释为地震影响和破坏的程度）。地面振动的强弱直接影响到人的感觉的强弱，器物反应的程度，房屋的损坏或破坏程度，地面景观的变化情况等。因此烈度的鉴定主要依靠对上述几个方面的宏观考察和定性描述。从概念上讲，地震烈度同地震震级有严格的区别，不可互相混淆。震级代表地震本身的大小强弱，它由震源发出的地震波能量来决定，对于同一次地震只应有一个数值。烈度在同一次地震中是因地而异的，它受着当地各种自然和人为条件的影响。对震级相同的地震来说，如果震源越浅，震中距越短，则烈度一般就越高。同样，当地的地质构造是否稳定，土壤结构是否坚实，房屋和其他构筑物是否坚固耐震，对于当地的烈度高或低有着直接的关系。（影响一地地震烈度的五要素：震级、震源深度、震中距、地质结构、建筑物）。一次地震中，人们往往强调震中（或称极震区）的烈度。地震对桥梁的破坏主要是由于地表破坏和桥梁受震破坏引起的。其中地表破坏有地裂、滑坡、塌方、岸坡滑移和砂土液化等现象。地裂会造成桥梁跨度的缩短、伸长或墩台下沉。在陡峻山区或砂性土和软粘土河岸处，强烈地震引起的塌方、岸坡滑动以及山石滚落，可使桥梁破坏。在浅层的饱和和疏松砂土处，地震作用易引起砂土液化，致使桥梁突然下沉或不均匀下沉，甚至使桥梁倾倒。在坡边土岸或古河道处，地震则往往引起岸坡滑移、开裂和崩坍等现象，造成桥梁破坏。桥梁受震破坏是由于地震使桥梁产生水平和竖直振动，造成桥梁构件的损坏和破坏,甚至使桥梁倒坍。此外,有些桥梁虽然在强度上能够承受地震的振动力，但由于桥梁上部、下部结构联结不牢，整体性差，往往会造成桥梁上部和下部结构间产生过大的相对位移，从而导致桥梁破坏。梁桥受震破坏主要表现为：墩台开裂、倾斜、折断或下沉；支座弯扭、断裂、倾倒或脱落；桥梁上部结构和下部结构间相对位移；落梁。拱桥受震破坏主要表现为:拱圈开裂;墩台下沉；多孔时墩身开裂、折断；落拱。一般说来，桥梁震害在高烈度震区比低烈度震区重；岸坡滑移和地基失效处的桥梁震害比一般地基处严重。 二、桥梁抗震设计方法的发展 1 基于强度的设计方法 早期的抗震设计基本采用基于强度的抗震设计方法，将地震力当作静荷载进行结构分析，以结构构件的强度或刚度是否达到特定的极限状态作为结构失效的准则。且该方法是目前许多抗震设计规范仍采用的设计方法。 2 基于延性的设计方法 结合桥梁结构弹塑性破坏的特点，一些学者提出了基于反应谱的延性抗震设计方法。该方法采用地震力修正系数调整反应谱加速度或弹性分析的地震内力，来反映不同结构的延性需求。如美国AASHTO桥梁设计规范就针对桥墩、基础、支座等构件，采用不同的地震反应修正系数R对弹性地震力进行折减，得到设计地震力 。 3 基于性能的抗震设计 基于性能的抗震设计实际上是一总体设计思想 ，主要指结构在受到不同水平地震(不同概率地震 )作用下的性能达到一组预期的性能目标。基于性能的抗震设计是使设计出的结构在指定强度地震下的破损状态及其造成的经济损失、人员伤亡等控制在预期的目标范围内，使结构震后的功能得以延续和维持。基于性能的抗震设计内容主要包括：1)科学的定义和确定地震危险性；2)确定结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平和性能指标；3)设计方法，主要包括承载力设计方法、位移设计方法和能量设计方法等。三、桥梁抗震设计有效措施 （1）选择对抗震有利地段选择公路工程建设场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况和工程地质的有关资料，作出综合评价，宜选择有利地段，避开不利地段及危险地段。对抗震有利的地段，一般是指坚硬土或开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等地段；不利地段，一般是指孤突的山梁、高差较大台地边缘、软弱粘性土及可液化土层等地段；危险地段，是指发震断层及其邻近地段和地震时可能发生大规模滑坡、崩塌等不良地质地段。路线与桥位宜绕避下列地段：地震时可能发生滑坡、崩塌地段；地震时可能陷塌的暗河、溶洞等岩溶地段和已采空的矿穴地段；河床内基岩具有倾斜河槽的构造软弱面被深切河槽所切割的地段；地震时可能倒塌而严重中断公路交通的各种构造物。对河谷两岸在地震时可能发生滑坡、崩塌而造成堵河成湖的地方，应估计其淹没和堵塞体溃决的影响范围，合理确定路线的标高和选定桥位。当可能因发生滑坡、崩塌而改变河流方向、影响岸坡和桥梁墩台以及路基的安全时，应采取适当的防护措施。（2）确定合理的桥梁结构方案在确定路线的总走向和主要控制点时，应尽量避开基本烈度较高的地区和震害危险性较大的地段；在路线设计中，要合理利用地形，正确掌握标准，尽量采用浅挖低填的设计方案以减少对自然平衡条件的破坏。对于地震区的桥型选择，宜按下列几个原则进行：尽量减轻结构的自重和降低其重心，以减小结构物的地震作用和内力，提高稳定性；力求使结构物的质量中心与刚度中心重合，以减小在地震中因扭转引起的附加地震力；应协调结构物的长度和高度，以减少各部分不同性质的振动所造成的危害作用；适当降低结构刚度，使用延性材料提高其变形能力，从而减少地震作用；加强地基的调整和处理，以减小地基变形和防止地基失效。（3）震害调查表明，梁桥的震害主要发生在下部结构，桥墩在纵、横向水平地震力作用下，会发生剪切破坏或弯曲破坏，使得墩身错位倾斜，导致落梁现象，引起桥面垮塌。桥台背后土体易在地震作用下失稳，推动桥台向河心滑移，并伴有沉陷和倾斜，梁体沿纵向挤压桥台，重则支座剪坏桥台断裂，造成边跨落梁桥面坍塌。桥梁支座在地震力作用下，破坏形式主要表现为支座锚栓剪断、活动支座脱落、支座连接破坏等，支座破坏常常导致落梁。震害资料同时显示，梁桥上部结构一般具有良好的抗震性能，震害主要是梁端撞损、梁片分离等，不影响梁的承载能力，震后也不难修复。因此，按照公路抗震规范规定，在梁桥抗震验算时，应分别考虑顺桥和横桥两个方向的水平地震作用注计算墩台和支座承受的水平力以及地震动力水压力，并应考虑顺桥方向桥台的水平地震力和地震土压力。而对于简支梁和连续梁桥上部结构的抗震能力一般不予验算，但应采取抗震构造措施。桥梁结构动力分析方法，一般情况下桥墩应采用反应谱理论计算，桥台采用静力法。对于结构特别复杂，桥墩高度超过30m的特大桥梁，可采用时程分析法。为避免桥梁遭受地震的破坏所采取的技术措施。 （4）具体措施有：首先要做好桥址选择和调查工作。除了解区域性的地震烈度外，还应考虑局部地区地形、地貌、地质条件对桥梁震害的影响，以便为采取抗震措施提供依据。在发震、断裂地段及其邻近地段，以及可能发生大规模滑坡、崩塌等不良地质地段，建桥选址时应尽量避开。软弱粘土层、可液化土层和地层严重不均一地段，地形陡峭、孤突、岩土松散、破碎的地段,地震时可能塌陷的暗河、溶洞等地段,也应尽可能避开。在地震区建桥，桥的构造上应选择形状简单、整体性好、抗扭刚度大的形式，并加强桥梁上部结构和下部结构的联结部位，以防落梁。提高施工质量。桥梁震害常常发生在施工质量不良的薄弱环节，确保工程质量也是抗震的一个重要技术措施。四、 桥梁抗震设计注意事项 ( 1 ) 尽量将桥轴线设计成直线 ， 曲线桥使结构地震反应复杂化； 尽可能使桥台和桥墩与轴线垂直 ， 斜交会引起转动响应而增大位移。 ( 2 ) 沿纵、 横桥向的桥墩刚度尽可能一致， 如刚度变化太大地震时刚性大的桥墩易产生破坏。 ( 3 ) 塑性铰不应设计在盖梁、 主梁、 水中或地下的桩顶处， 设计在墩柱上易于观察与修复。 ( 4 ) 材料和结构形式的选择应遵循如下的原则： 质轻高强变形能力大， 强度和刚度衰减小， 结构整体性好。单从材料的抗震性能优劣来划分依次为： 钢结构 钢砼组合结构， 木结构， 现浇钢筋砼 ， 预制钢筋砼， 预应力砼， 砌体。 ( 5 ) 设置多道抗震防线， 尽可能朋超静定结构， 少采。 ( 6 ) 防止脆性与失稳破坏 ， 增加结构延性。常见的脆性破坏包括砖、 石、 素砼的开裂和钢筋砼的剪切破坏； 常见的失稳破坏包括斜撑和柱的失稳以及柱巾纵向钢筋在箍筋不足时的压屈。 五、桥梁减隔震技术 1 减隔震技术的概念和发展 减震是人为在结构的某些部位设置阻尼器或耗能构件，改变结构的动力性能，耗散结构吸收的地震能量，从而降低结构的地震反应。隔震则是指通过延长结构的自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输入，对桥梁结构采用隔震技术的思想产生由来已久，减隔震技术 自诞生以来，受到了广泛的重视。第一座采用减隔震技术的桥梁是新西兰的 Mot桥，建于1973年，上部结构采用滑动支承隔震，阻尼由 U形钢弯曲梁提供。该桥建成后，减隔震技术在桥梁抗震中得到了迅速推广。美国第一次将减隔震技术用于桥梁是在 1984年，用于对Sierra Point Bridge进行抗震加固。1990年，美国新建了第一座采用减隔震技术的桥梁Sexton桥。在日本 ，第一座建成的减隔震桥梁是静岗县横跨 Keta河的宫川大桥，完成于1990年，是一座3跨连续钢桁架梁桥，采用铅芯橡胶支座作为减震构件。2. 单自由度反应谱分析方法 3.常用减隔震装置 1)分层橡胶支座。分层橡胶支座，国内常称为板式橡胶支座。由薄橡胶片与薄钢板相互交替结合而成，支座平面形状多采用圆形或矩形。在抗震设计中主要考虑分层橡胶支座的水平刚度和阻尼作用等因素。橡胶支座的水平剪切刚度，指上、下板面产生单位位移时所需施加的水平剪力橡胶支座通过在变形过程中消耗能量提供阻尼，这种阻尼主要取决于橡胶层变形的速度。以天然橡胶为主要材料制作的支座，典型的阻尼比为 510。分层橡胶支座的力一位移滞回曲线呈狭长形，所提供的阻尼较小，因而在减隔震桥梁设计中，常与阻尼器一起使用。2)铅芯橡胶支座。铅芯橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上，在支座的中部或中心周围部位竖直地压人高纯度铅芯以改善支座阻尼性能的一种减震支座。铅芯具有良好的力学特性，具有较低的屈服剪力(约 10 MPa)，具有足够高的初始剪切刚度 (约130 MPa)，具有理想弹塑性性能且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能，能够提供地震下的耗能能力和静力荷载下所必需的刚度。因此，由铅芯和分层橡胶支座结合的铅芯橡胶支座能够满足一个良好减隔震装置所应具备的要求：在较低水平力作用下，具有较高的初始刚度，变形很小；在地震作用下，铅芯屈服，刚度降低 ，延长了结构周期，并消耗地震能量。 3)滑动摩擦型减隔震支座。滑动摩擦型支座利用不锈钢与聚四氟乙烯材料之间相当低的滑动摩擦系数制成。也称为聚四氟乙烯滑板支座。这种支座具有摩擦系数小，水平伸缩位移大的优点，作为桥梁活动支座十分适宜。在地震作用下，滑动摩擦型支座允许上部结构在摩擦面上发生滑动，从而将上部结构能够传递到下部结构的最大地震力限制为支座的最大摩擦，同时通过摩擦消耗大量的地震能量。这类支座的缺点是没有自复位能力 ，用作隔震支座时，支座响应的可预测性和可靠性都不尽如人意，所以常与阻尼器和橡胶支座等其他装置一起使用。4)钢阻尼器。钢阻尼器利用钢材的塑性变形来耗能。三种典型的钢阻尼器：a有横向加载臂的均匀弯矩弯曲梁阻尼器，加载臂有一倾斜角度；b锥形悬臂弯曲梁阻尼器；c有横向加载臂的扭梁阻尼器。钢阻尼器的优点是制造不需要特殊设备，费用比较合适 ，坚实耐用，又具有较大的耗能能力。试验研究表明，大多数钢阻尼器的滞回曲线可用双线性来近似模拟。不同类型钢阻尼器的选择取决于阻尼器放置的位置、可利用的空间连接的结构以及力和位移的大小。钢阻尼器通常和橡胶隔震支座一起使用，如聚四氟乙烯滑板支座与悬臂钢阻尼器就是一种合理组合。 4. 减隔震装置的选择 桥梁的减隔震系统应满足如下三个基本功能：1)具备一定的柔度，用来延长结构周期，降低地震力；2)通过阻尼、耗能装置等对地震力进行耗散，并将支承面处的相对变形控制在设计允许的范围内；3)具备一定的刚度和屈服力，在正常使用荷载下结构不发生屈服和有害振动。进行减隔震设计时，应将重点放在提高耗能能力和分散地震力上，不可过分追求加长周期。而且应选用作用机构简单的减隔震装置，并在其力学性能明确的范围内使用。另外，减隔震装置不仅要能减震耗能，还应满足正常运营荷载的承载要求，因此选择减隔震装置时，还应注意以下一些要求：1)在不同水准地震作用下，减隔震支座都应保持良好的竖向荷载支承能力；2)减隔震装置应具有较高的初始水平刚度，使得桥梁在风荷载、制动力等作用下不