地震与桥涵结构之间的关系

地震与桥涵结构型式间的关系地震与桥涵结构型式间的关系 一 地震对桥梁的破坏作用一 地震对桥梁的破坏作用 当地震发生时 首先是场地和地基破坏 从而产生桥梁破损并引起其他灾 害 场地和地基的破坏作用 大致有地面破裂 滑坡和坍塌 地基失效等几种 类型 这种破坏作用 对位于斜坡地貌及软弱土质地基上的桥梁工程影响较大 地震发生后 桥梁的破坏形式一般表现为以下几种 1 桥台锥体 墩周铺 护开裂 甚至滑移 2 墩台身位移 支座锚栓剪断 严重时产生落梁现象 3 砂土液化 桥墩下沉 4 墩台身开裂 严重时桥梁倒塌 2008 年发生的汶川大地震所造成道路 桥梁和其他城市基础设施的损失巨 大 位于震中的汶川县附近道路基础设施受到严重破坏 桥梁震害最为典型和 严重 其影响范围大 波及范围广历史罕见 而桥梁结构作为生命线工程的重 要组成部分 在抗震中显得意义非常重大 二 桥梁抗震设计原则二 桥梁抗震设计原则 桥梁抗震设计在多级设防标准的要求下对结构强度 延性变形 结构控制 结构整体稳定也要求在多级设防的原则下进行抗震设计 对桥梁抗震性加以分析研究 某类结构不能在地震区内修建 在分析研究 原有结构抗震性能的基础上 应提出更能适应地震作用的结构型式 如一体化 桥梁的设计 其次 对结构抗震设计不是被动地作为地震作用时结构强度 变 位的验算 而是要从设计角度 提高结构的防震能力 要系统考虑结构的行为 能力设计 针对目前大量高架桥倒塌毁坏的教训 必须开展对抗震支座 各种型式桥 墩的延性研究 要利用约束混凝土的概念提高它的延性 不但对钢筋混凝土 预应力混凝土 而且对高强混凝土结构 混合结构的延性都需展开研究 结合我国国情 研究结构控制的有效型式 加强抗震措施 必须采用 以 柔克刚 的设想来考虑地震区结构抗震设防的出发点 改变单纯的 以刚克 刚 的旧传统设防观点 对地裂 地面错动 边坡倒塌 沙土液化时桥梁结构 如何抗震设防也应该作深入的研究 三 桥梁抗震构造措施三 桥梁抗震构造措施 1 对常规的简支桥梁结构应加强桥面的连续构造 以及需提供足够的加固宽度 以防止主梁发生位移落梁 另外还应适当的加宽墩台顶盖梁及支座的宽度 并 增设防止位移的隔挡装 置 对采用橡胶支座而无固定支座的桥跨 应加设防移 角钢或设挡轨 作为支座的抗震设计 2 在地震区的桥梁结构以采用跨度相 等 每联连续跨内下部墩身刚度相等为宜 跨度不均 墩身刚度不等极易发生 震害 对各墩高度相差较大的情况可采用调整墩顶支座尺寸和桩顶设允许墩身 位移的套筒来调整各墩的刚度 以便使之刚度尽量保持一致 地震区桥跨不宜 太长 大跨度意味着墩柱承受的轴向力过大 从而降低墩柱的延性力 3 对高烈度区的桥梁设计应在纵向设置一定的消能装置 如采用减 隔震支 座 以及在梁体和墩台的连接处增加结构的柔性和阻尼以便共同受力和减小水 平桥梁荷载 4 由于拱桥对支座水平位移十分敏感 而两边桥台的非同步激振会引起较大的 伪静力反 应 有时甚至会大于惯性力所引起的动力反应 因此要求震区的拱桥 墩台基础务必设置于整体岩盘或同一类型的场址以保证震时各支座的同步激振 5 桥梁的基础应尽可能的建在可靠的地基上 应加强基础的整体性和刚度 同 时采取减轻上部荷载等相应措施 以防止地震引起动态和永久的不均匀变形 在可能发生地震液化的地基上建桥时 应采用深基础 使桩或沉井穿过可能液 化的土层埋入较稳定密实的土层内一定深度 并在桩的上部 离地面 1 3m 的 范围内加强钢筋布设 6 墩柱设计中应尽可能的使用螺旋形箍筋 以便为墩柱提供足够的约束 另外 墩身及基础的纵向钢盘伸人盖梁和承台应有一定的锚固长度以增强连接点的延 性 并且 桥墩基脚处应 有足够的抵抗墩柱弯矩与剪切力的能力 不允许有塑 性铰接 7 采用将桥墩某些部位设计成具有足够的延性 以使在强震作用下使该部位形 成稳定的延性塑性铰 并产生弹塑性变形来延长结构的振动周期 耗散地震力 8 采用上部结构和桥墩完全连接的刚构体系 并且桩尖穿过可液化层达到坚硬 土层上 由于结构的超静定次数增大和坚实的桩尖承载能力的保证 减少了由 于土壤变形而失效的可能性 四 下面就一体式梁桥的设计加以简要说明四 下面就一体式梁桥的设计加以简要说明 1 一体梁的设计概要 对于中小跨度的桥梁 使用铰接式结构 建设费增加 维持成本也很高 在雨雪较多地区 结构间的来你姐处理不当所造成的腐蚀缩短了桥梁的使用寿 命 分体化桥梁的耐久性和维持管理成为人们关注的焦点 一体化桥梁多指连续无连接的桥梁 如图 a 所示 图 b 为非一体性 桥梁 一体化桥梁的优点很多 如部件简单 联结部位少 常仅需通过适度的 维护和偶然的维护就可以保证较长的使用年限 2 一体化桥梁的地震反应分析 本桥上部构造与桥台是刚结结构 为了考虑桥台背后土压力的作用 地震反应 分析模型采用图 4 所示的 Penzien 模型 因桥台背面的主钢筋为 D35 二段 桥台前面主钢筋为 D32 一段 为非对称 配筋 所以下部结构的梁要素采用了非对称的非线性应力一应变关系 上部 PC 结构视为弹性部材 在桥轴方向采用屈服刚度 桥轴垂直方向视为全断面有效 考虑到裂缝等因素的影响 桥墩和上部结构的扭转刚度取为全断面有效刚度的 桥梁结构示意图 1 10 对于桥台后面土体的模型化 考虑到地震时土的动力应答特性 将背后土 体简化为剪切振动模型 其中土质的非线性以 R O 模型来表述 骨格曲线如 图 5 所示 其应力应变关系为 其参数值根据土质试验结果来确定 hmax 0 20 3 77 1 92 桥台后土体与桥台间的相互作用弹簧如图 6 所示 采用了片侧抵抗性弹簧 土的反力的上限值Pyf采用了被动土压的上限值 为了正确反映土的衰减效果 考虑桥台的最大位移 对背后土体与桥台问 的动的相互作用弹簧的参数进行了调整 见图 7 各结构要素的阻尼系数如表 1 所示 其中上部结构为 0 04 桥台和桥墩为 0 02 对于地基的非线性模型 则 综合考虑结构阻尼和滞回阻尼来设定其阻尼值 地震反应分析中使用了时程反 应分析法 为了保证解析的精度将积分间隔定为 0 002 s 另外 土压 自重和 干燥收缩的断面力作为初期断面力予以考虑 地震反应分析中所使用的地震波包括海洋型 Levell 和城市直下型 Level 2 两种 海洋型地震波是在以往海洋或近海的地震波记录基础上作成的 城市直 下型地震波则主要是基于阪神大地震的现场记录 其特点是地震波峰值加速度 大 周期小 每种地震波均使用 3 个调整后的场地观测波进行结构的地震反应 分析 图 8 为其中的海洋型地震波形 3 地震反应分析结果 为了把握桥梁的振动特性 对该桥进行了固有值分析 图 9 列出了 1 到 4 次的振型 从解析结果来看 有效质量比最大的振型为第一振型 有效质量比 为 0 187 1 表 2 为固有值计算结果 图 10 为 A1 桥台基部的 M 一 响应曲 线图 4 下部结构的安全性验算 在上述地震反应分析的基础上进行了下部结构的安全性验算 验算内容主 要包括 弯矩 剪力以及残余变形是否低于容许值 对于桥台以及桥墩分别对 其结构上部与结构基部进行了弯矩及剪力的验算 桥台和桥墩的残余变形的验 算是以上部结构的重心位置为基准进行的 在验算过程中所使用的残余变形和 断面力的最大值 均采用了三种地震波反应分析应答的平均值 安全性验算使用的容许曲率的计算式为 a yo u 一 yo 式中 yo 为初始屈服弯矩的曲率 u 为破坏状态的曲率 为安全系 数 对海洋型地震取 3 0 对城市直下型地震取为 1 5 表 3 为抗震性验算的一览表 可以看出下部结构符合抗震要求 在两种类 型地震作用下 结构是安全的 5 上部结构的安全性验算 一体化结构区别于其他形式 在于地震过程中下部结构与上部结构之间力 的传递相当突出 因而在完成对下部结构的地震验算的同时 还要进行上部结 构的抗震性验算 上部结构的抗震性验算对象主要包括弯矩和剪力 图 11 为上部结构的最大 弯矩与屈服弯矩的比较 图 12 为上部结构的剪力最大值与抗剪力的比较 其中 Levell 和 kvel 2 分别对应海洋型地震和内陆直下型地震的入力地震动 可以看 出两者均满足抗震性的要求 6 结语 本论文所示的一体化结构桥梁形式 是综合考虑桥梁设计 施工与维护因素的 较为经济的桥梁结构形式 针对一体化桥梁所处场地环境的复杂性以及强震下 地基土的非线形特性 考虑土与桥台的相互作用 采用 Penzien 模型对其行了 地震反应分析 并对桥梁的上部与下部结构分别进行了抗震性能验算 所采用 的考虑桥台后土体与结构的相互作用进行一体性地震反应分析的方法 结合了 实际工程中常用的计算资料和设计方法便于设计现场应用 结合桥台与土体可 能产生的最大位移 进行的相互作用弹簧的模型设定能更为合理的反映出土的 非线性特征和其