橋梁抗震研究現(xiàn)狀

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400000)

引言

近幾年，我國(guó)地震頻繁發(fā)生。這已經(jīng)給人們的生命安全帶來了巨大的隱患，尤其是在我國(guó)的西南地區(qū)，比較有代表性的就是2008年的“汶川地震”，其地震大小達(dá)到里氏8.0級(jí)，據(jù)政府部門統(tǒng)計(jì)，本次地震造成69227人遇難，直接經(jīng)濟(jì)損失約8452億元人民幣，其造成的巨大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失震驚中外。而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文明的發(fā)展，人們對(duì)交通線的依賴性越來越強(qiáng)。而作為交通運(yùn)輸中關(guān)鍵的橋梁工程就在抗震救災(zāi)的工作大局中顯得尤為重要。在“汶川地震”中，重災(zāi)區(qū)469座公路橋梁中有88.4%的受到不同程度破壞，這給當(dāng)時(shí)的救援環(huán)境提出了一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此橋梁工程的抗震也逐漸得到了重視。當(dāng)然抗震設(shè)計(jì)不免會(huì)碰到許多難題，同時(shí)在其過程中又不斷有新的問題[1-4]。

一、中國(guó)橋梁抗震研究現(xiàn)狀

隨著世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，伴隨的交通建設(shè)也進(jìn)入了一個(gè)黃金時(shí)期，其中橋梁抗震的關(guān)注度隨著近年來全世界地震的頻繁發(fā)生而得到了很大的提高，這也促使我國(guó)近些年在抗震研究領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是在與本領(lǐng)域世界先進(jìn)國(guó)家的對(duì)比中，我們還是存在很大的差距。因此，我們還需要做大量的研究來提高該領(lǐng)域?qū)嵙Α?/p>

(一)中國(guó)橋梁抗震主要理論

經(jīng)過人類長(zhǎng)時(shí)間研究以來確定的橋梁抗震反應(yīng)分析方法主要分為三種：靜力法、動(dòng)力反應(yīng)譜法和動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法。其中，最早采用的方法為靜力法，其原理為假定橋梁結(jié)構(gòu)與地震動(dòng)有一樣大小的振動(dòng)，然后把構(gòu)件在地表運(yùn)動(dòng)加速度影響下產(chǎn)生的慣性力施加到結(jié)構(gòu)上來作為抗震計(jì)算。但是靜力法有一個(gè)比較大的缺陷，即把橋梁構(gòu)件由于地震而破壞的因素單一歸結(jié)為地震加速度，因此這種方法適用的條件為剛度很大的結(jié)構(gòu)。而針對(duì)靜力法所體現(xiàn)出來的缺點(diǎn)，人們經(jīng)過努力得到了動(dòng)力反應(yīng)普法，該方法不止考慮了包含原有的地面運(yùn)動(dòng)特性，還結(jié)合了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。其通過單質(zhì)點(diǎn)振子的力學(xué)圖示來闡明反應(yīng)普的概念，這樣會(huì)使計(jì)算結(jié)果更加的精確與標(biāo)準(zhǔn)。而動(dòng)力時(shí)程法則是伴隨近幾十年以來計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而研究出的一種最新方法，它利用計(jì)算機(jī)建模的功能把很多因素(幾何、材料、邊界連接條件非線性)和分塊阻尼等考慮到內(nèi)，這樣可以更精確的分析模擬出地震來臨時(shí)對(duì)橋梁各方面的影響，因此該方法被公認(rèn)為是最精細(xì)的分析方法。

(二)中國(guó)橋梁抗震部分研究現(xiàn)狀

1.基于延性的抗震設(shè)計(jì)

在橋梁抗震設(shè)計(jì)研究中，我們除了要遵守基本的原則之外，還應(yīng)該重視橋梁延性問題。延性的定義為在地震作用下，強(qiáng)度沒有發(fā)生很大的變化前提下它所具有的非彈性變形能力，同時(shí)其還能利用滯回特性來吸收能量。延性抗震設(shè)計(jì)也就是利用塑性的變形來抵抗地震波帶來的影響，從而減少地震帶給橋梁結(jié)構(gòu)的損害，這樣子就可以延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的周期以達(dá)到保護(hù)橋梁的目的。

基于延性設(shè)計(jì)理論，橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力大大提升。值得注意的是在曲線梁橋抗震研究中，我們常以直代彎建立模型分析。事實(shí)上通過實(shí)驗(yàn)分析表明這種建模對(duì)結(jié)構(gòu)的主要振型周期、質(zhì)量參與系數(shù)和模態(tài)不會(huì)產(chǎn)生明顯誤差，非線性時(shí)程分析也表明了直梁模型有著較高的數(shù)值精度，雖然曲梁的主梁圓心角增大會(huì)影響其精度即以直代彎建模的實(shí)用性，但是大多數(shù)曲梁采用這種抗震設(shè)計(jì)是具有較好的可信度。這些抗震設(shè)計(jì)中，由一開始的考慮縱向橋梁地震力作用逐步擴(kuò)展到橫向地震力作用的影響，一般考慮了擋塊對(duì)橋梁橫向地震作用力的影響，其分析可以具體到對(duì)斜拉橋，連續(xù)梁橋，規(guī)則梁橋等等常見橋梁的精確分析。

2.基于減隔震設(shè)置的設(shè)計(jì)

有些條件下，要憑借結(jié)構(gòu)自身抵抗地震作用比較麻煩，還有可能要付出其他的嚴(yán)重后果。因此必須尋求更為有效的抗震手段，這時(shí)候結(jié)構(gòu)控制技術(shù)就產(chǎn)生了。減隔震技術(shù)屬于結(jié)構(gòu)控制中應(yīng)用最為廣泛的被動(dòng)控制技術(shù)。

減隔震技術(shù)是一種利用特制的減震結(jié)構(gòu)或裝置以及隔震體系使之在強(qiáng)震時(shí)優(yōu)先進(jìn)入塑性產(chǎn)生大阻尼大耗能或者阻止地震能量進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)。

其主要包括三種方式：地基隔震、基礎(chǔ)隔震以及上部結(jié)構(gòu)的隔震。其最關(guān)鍵的是我們?cè)O(shè)計(jì)的減隔震裝置能夠在地震中充分發(fā)揮其作用。但是，由于各種條件比較復(fù)雜，所以減隔震裝置不是在每種情況條件下都能適用。如場(chǎng)地比較軟弱或延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)周期后容易發(fā)生共振等不宜使用減隔震技術(shù)。因此，是否采用減隔震裝置也就在橋梁設(shè)計(jì)之前顯得尤為重要了。

經(jīng)多年的研究，只需符合以下任何一條條件，我們就可以考慮適用減隔震技術(shù)：

(1)地震波的角度:適用于能量集中于高頻的波。

(2)結(jié)構(gòu)的角度:橋梁是高度不規(guī)則的。

目前國(guó)內(nèi)外普遍使用提供耗能和阻尼的減隔震裝置有：分層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、流體黏滯阻尼器和滑動(dòng)摩擦型減隔震支座。而對(duì)于滑動(dòng)摩擦型減隔支座，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了六類具有自恢復(fù)能力的滑動(dòng)隔震裝置，其中應(yīng)用較多的是FPI(Friction Pendulum Isolation)裝置。我國(guó)同濟(jì)大學(xué)與船舶重工集團(tuán)也聯(lián)合自主開發(fā)了大噸位全鋼雙曲球型減隔震支座，突破了大型橋梁減隔震技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。較好的解決了我國(guó)強(qiáng)地震區(qū)大跨度橋梁的防震減災(zāi)問題。

3.減隔震技術(shù)與延性抗震設(shè)計(jì)的比較

從抗震原理上看，兩者是相似的，即通過延長(zhǎng)周期或增大阻尼來達(dá)到抗震減震的目的。但是，兩種方法在具體的實(shí)施上存在這很大的不同。

延性抗震設(shè)計(jì)容許很大的地震能量傳遞到結(jié)構(gòu)內(nèi)部中，其主要考慮的是如何提高“承受”地震的能力，結(jié)構(gòu)屬于正面應(yīng)對(duì)地震。而減隔震技術(shù)則是通過考慮設(shè)置減隔震裝置來盡量“避開”地震波傳遞到重要構(gòu)件上，其屬于結(jié)構(gòu)負(fù)面應(yīng)對(duì)地震。在延性抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷是不可避免的，震后的修復(fù)工作困難。而減隔震技術(shù)可以避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷，震后損傷的裝置易替換。

除了上述兩種抗震設(shè)計(jì)以外，現(xiàn)在一種新型結(jié)構(gòu)正逐漸成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)-提離式基礎(chǔ)抗震結(jié)構(gòu)。提離式基礎(chǔ)常常有提離式樁基礎(chǔ)和提離式擴(kuò)大基礎(chǔ)兩種形式，在抗震上有巨大優(yōu)勢(shì)。但我國(guó)在這方面的研究起步較晚。

二、結(jié)語(yǔ)

通過閱讀這些文獻(xiàn)，讓我對(duì)橋梁抗震有了初步認(rèn)知，我國(guó)在這方面與國(guó)外還存在很大的差距。但是，我相信，隨著越來越多橋梁人投入的精力越多，一定會(huì)促使我國(guó)橋梁抗震進(jìn)入到一個(gè)黃金發(fā)展階段。我也相信，通過我國(guó)科學(xué)家的不斷努力與創(chuàng)新，一定能攻克接下來面對(duì)的一個(gè)個(gè)難關(guān)，最后能讓我國(guó)橋梁抗震技術(shù)更上一層樓。