淺談結構動力學在橋梁抗震工程中的應用

摘要：結構動力特性被廣泛應用于橋梁結構技術狀態評估中， 由此涉及到一些結構動力學基本概念的理解和實際應用的問題.本文就橋梁中存在的一些動荷載等相關問題，指出結構動力學知識在橋梁結構抗震安全方面重要的應用。

關鍵詞：結構動力學橋梁抗震工程動力特性性能水準

引言

隨著經濟的發展和科學技術的進步，人們越來越關心一些重大工程的安全問題，對一些工程的安全設計標準和校核的要求變得更高。人們也開始展開對橋梁中存在的一些結構動力特性的研究，結構動力學相關理論越來越廣泛地應用于橋梁結構抗震設計、橋梁結構故障診斷和橋梁結構健康狀態監測等工程技術領域。

1.結構動力學分析

結構動力學作為結構力學的一個分支，著重研究結構對于動荷載的響應，以便確定結構的承載能力和動力學特性，或者為改善結構的性能提供依據。結構動力學考慮了結構因變形而產生的彈性力，任何結構所受的荷載都具有不同程度的動載荷性質，結構動力學中動力荷載下所受的荷載比靜力學中的靜力荷載下所受的荷載要高，而且有大部分重大工程結構主要在振動環境下工作，我們應充分考慮結構不安全的一面，盡可能的減少大型工程中的風險以保證人們生命財產安全。結構動力學的理論和動力學實驗研究不僅為結構動力學深一步的理論分析奠定了基礎，而且成為解決實際工程問題的重要手段。

2.橋梁中的抗震問題

實際震害表明，在以生命安全為單一設防水準的規范指導下設計的建筑，盡管可以有效防止倒塌，但是由于結構破壞而帶來的直接與間接財產損失卻是事先沒有預料到的。為了防止這種情況的發生，就要求以后設計的結構不僅要保證生命的安全，同時也要控制結構的破壞程度，使財產的損失控制在可以接受的范圍內。這就需要在實際設計中，針對不同設防水準的地震，結構應該具有明確的性能水平。由于結構的性能與結構的破壞狀態相關聯，而結構的破壞狀態又可由結構的反應參數或者某些定義的破壞指標來確定，所以結構性能水平可以這些參數來劃分。盡管知道結構性能由某個參數來劃分可能不盡完善，但是鑒于目前研究水平，研究者們提出基于位移（變形） 來劃分結構性能水平是方便實用的，因為結構變形也可以有效地反映結構破壞情況。對應于各地震作用水準，建筑應滿足的性能水準[1]：

水準1：正常使用：結構無永久側移；基本保持原有強度和剛度；結構構件以及非結構構件基本不損壞。

水準2：可以暫時使用：結構無永久側移；基本保持原有強度和剛度；結構構件與非結構構件有輕微破壞。

水準3：生命安全：結構保持穩定；具有足夠的豎向承載力儲備。

水準4：防止倒塌：橋梁整體結構保持不倒；承受荷載的柱子仍起作用。

在基于性能抗震設計中，為了求得在不同水平地震作用下結構的反應性能指標（這個指標可以由結構變形來確定，也可以由一些定義的破壞指標來確定），就需要采用合理的結構模型、恰當的分析方法進行結構受力分析。由于基于性能抗震設計要考慮不同水平地震作用下結構的性能狀態，故不僅需要在低水平地震作用下結構的彈性分析，而且更重要的是結構在強烈地震作用下的非線性受力分析。對于彈性結構分析，一般可采用彈性靜力或彈性動力分析手段，分析方法也比較成熟。而對于非線性分析，一般采用彈塑性時程分析或者彈塑性靜力分析方法，對于彈塑性時程分析，由于計算量大，分析復雜，且在合理選擇地震動時程時也有很大困難，故不適于廣泛的應用。而對于彈塑性靜力分析方法。特別是結構性能指標以結構變形（層間位移、頂點位移或某些構件的截面的變形）來表示時，彈塑性靜力分析可以很方便地確定這些性能指標。目前，在國際上被廣泛推廣使用。在基于性能抗震設計中，為了很好地控制結構在不同水平地震作用下結構反應性能，在分析中也有必要采用三維的彈塑性分析，考慮地基與結構的相互作用、結構扭轉以及非結構構件對結構的影響等諸多因素。反映到橋梁的安全標準設計中，就是要充分考慮橋梁在當地發生歷史最大地震的情況下不發生完全破壞可進行修復的標準。

3.結構動力學在橋梁抗震工程中的應用

通常人們使地震對橋梁減小破壞的措施主要是通過兩種途徑，即通過減小地震動的輸入來使其控制在橋梁能夠承受的范圍和通過改變橋梁本身的性能來適應或應對地震振動等來減小對橋梁的影響，使橋梁能夠承受住這種影響。地震的災害給我國人民人身安全造成了嚴重的威脅，發生重大災情的時候，橋梁作為交通樞紐，它的安全穩定顯得特別重要。因此，我們必須在一定的經濟條件下，最大限度得限制和減輕橋梁結構的地震破壞，從而保證人民的生命財產安全不受損害。

根據結構動力學所特有的特性，動力結構在地震時就會有一定的動力效應，簡單的說就是結構上質點的地震反應加速度與地面運動的加速度有所不同，且結構上質點的地震結構自震周期與阻尼具有一定的聯系。對動力學方法的應用可以對自由度彈性體系質點的加速度反應進行求解，并求得不同周期的加速度反應，并根據實際已有的數據給出合理的優化方案。

如果我們仔細研究鋼框架結構的非彈性地震反應我們會發現柱的軸向塑性變形會朝一個方向積累，進而導致水平位移增大，從而加劇 P—Δ效應。軸向力將減小撓曲為主的振型的自振頻率，而且將加大拉伸振型的自振頻率。運用離散變量方法，對整個體系進行處理，用拉格朗日方程進行一般性分析，以便考慮結構的空間特性[2]。

結束語

橋梁是交通建設中的樞紐工程，橋梁工程結構動力學相關領域的理論為橋梁安全性、穩定性提供了重要的技術支撐，使得橋梁結構整體的安全性能得到了保障。在對橋梁抗震結構的設計過程中，不僅需要對橋梁結構的使用功能和使用年度進行考慮，同時還需要對建筑結構的安全防震性能進行考慮，并在橋梁結構設計的過程中充分對地震的來臨進行模擬，要保證橋梁符合小震不壞、中震可修、大震不倒的原則[3]。為了做到以上的抗震要求，就要對結構動力學的基本原理和方法進行充分的學習，并運用到橋梁抗震結構設計中。

參考文獻：

[1]孫俊，劉錚等.工程結構基于性能的抗震設計方法研究.四川建筑科學研究，2005，6.

[2]劉旺.建筑結構中結構動力學的防震減震應用分析[J].現代商貿工業，2011，23（22）：312.

[3]王敬東，胡曉飛，董一丁.建筑結構中結構動力學的防震減震應用研究[J].城市建筑，2013（18）：49.

作者簡介：田晶（1996年3月）女漢族河北省徐水縣身份證號：230208199603030029 本科生研究方向：水利水電工程