王英偉

(大連理工大學(xué) 土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 大連 116023)

橋梁抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念及方法研究

王英偉

(大連理工大學(xué) 土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 大連 116023)

橋梁建設(shè)對(duì)交通發(fā)展具有重要意義，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通也在不斷進(jìn)步，橋梁建設(shè)的重要性也愈發(fā)突出。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于大跨度橋梁的研究主要集中在橋梁地震反應(yīng)特性方面，鮮有對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)的研究。對(duì)于橋梁而言，其抗震、抗風(fēng)性能直接影響使用質(zhì)量，特別是近年來(lái)地震等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，橋梁抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)更為重要，文章主要對(duì)當(dāng)前橋梁抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念及方法進(jìn)行了探討，以便于設(shè)計(jì)人員合理運(yùn)用橋梁設(shè)計(jì)思想。

橋梁抗震；橋梁抗風(fēng)；設(shè)計(jì)理念；設(shè)計(jì)方法

地震和風(fēng)災(zāi)對(duì)橋梁破壞嚴(yán)重,特別是風(fēng)災(zāi),發(fā)生頻繁,對(duì)橋梁造成的病害更多,輕者影響橋梁使用,重者會(huì)造成橋梁毀損,甚至發(fā)生重大事故[1]。目前,對(duì)橋梁的研究主要集中于橋梁工程的管理,鮮有對(duì)橋梁建設(shè),尤其是橋梁抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念及方法的研究。橋梁抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)關(guān)乎橋梁質(zhì)量,本文就從這方面出發(fā),對(duì)其展開(kāi)研究,為設(shè)計(jì)人員提供借鑒。

1 橋梁抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要性

橋梁抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)不是從來(lái)就有的,它是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。在所有自然災(zāi)害中,地震的危害性最大,強(qiáng)烈的地震會(huì)對(duì)橋梁有毀滅性損害[2]。風(fēng)災(zāi)又是發(fā)生最為頻繁的自然災(zāi)害,其對(duì)橋梁造成的病害也多種多樣,輕者會(huì)影響橋梁使用功能,重者則會(huì)導(dǎo)致橋梁毀壞,甚至可能發(fā)生嚴(yán)重的安全事故[3]。橋梁抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念是在總結(jié)地震、風(fēng)災(zāi)等自然災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想,在其指導(dǎo)下進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)工作,可以提高橋梁的安全性,延長(zhǎng)橋梁使用壽命,因此,橋梁抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)

2.1 地震對(duì)橋梁的主要破壞

地震的危害是巨大的,它的危害侵蝕著生活的方方面面,其對(duì)橋梁的破壞主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:損傷支座、破壞落梁、破壞彎剪、破壞彎曲等。

2.1.1 損傷支座

支座發(fā)生損傷,主要是由于上部結(jié)構(gòu)所受到的地震慣性力自上而下傳遞蔓延到支座,若是支座在設(shè)計(jì)建造時(shí)沒(méi)有足夠的抗震能力和負(fù)荷能力,那么就會(huì)因承受不住上部傳遞下來(lái)的這股力量從而發(fā)生支座損傷的情況。這也是導(dǎo)致落梁被破壞的關(guān)鍵性原因。雖然其造成了不可挽救的支座損傷,但從另一方面來(lái)說(shuō),這種情況也非常有效地避免了地震力量對(duì)橋墩的進(jìn)一步破壞[4]。

2.1.2 破壞落梁

落梁破壞的原因主要是由于橋墩和梁之間發(fā)生了較大的位移,從而使得橋梁缺乏支撐,支座的約束力喪失。也就是說(shuō),該類破壞情況的產(chǎn)生就是由水平位移過(guò)大造成的。此類情況主要有梁間地震碰撞、支座破壞、梁體支撐長(zhǎng)度不足、相對(duì)位移大等。

2.1.3 破壞彎剪

在發(fā)生地震時(shí),橋梁結(jié)構(gòu)的荷載能力受到剪切力的考驗(yàn),一旦剪切面承受的剪切力超過(guò)了橋梁的承受強(qiáng)度,那么橋體就容易出現(xiàn)剪切破壞,主要的破壞過(guò)程為:超強(qiáng)的剪切力使截面出現(xiàn)一些水平彎曲的裂縫;之后荷載強(qiáng)度逐漸增大,裂縫也逐步得到了發(fā)展,斜方向的裂縫在柱體內(nèi)由此產(chǎn)生;箍筋屈服,剪切裂縫增大;最后,橋體難以再承受荷載,出現(xiàn)脆性剪切破壞[5]。

2.1.4 破壞彎曲

水平地震的強(qiáng)力破壞使橋體彎曲,橋梁內(nèi)部混凝土出現(xiàn)被壓碎、崩裂,致使整個(gè)橋體喪失了承載能力。首先,彎矩上承受的荷載力達(dá)到開(kāi)裂強(qiáng)度,隨之而來(lái)的就是幾面水平彎曲裂縫;然后,荷載強(qiáng)度和裂縫都持續(xù)增強(qiáng)、增大,從而使處于側(cè)拉位置的縱筋達(dá)到了屈服強(qiáng)度;緊接著,橋體出現(xiàn)大幅度變形,內(nèi)部塑性鉸范圍變大、橋體的混凝土保護(hù)層一點(diǎn)點(diǎn)發(fā)生脫落現(xiàn)象;最后,橋體的內(nèi)部混凝土崩裂、壓碎,橋身鋼筋被拉斷[6]。

2.2 抗震設(shè)計(jì)原則

出于對(duì)橋體穩(wěn)固、質(zhì)量最佳的高度需求,在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮到橋體的延性、剛度、強(qiáng)度等各方面的使用需求。用此種方式來(lái)使得抗震設(shè)計(jì)更具有合理性和可建造性。在此之前,若想充分了解抗震設(shè)計(jì)的要求和思路,就要深入實(shí)踐,以自身的創(chuàng)造力和豐富的經(jīng)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)并尋找抗震設(shè)計(jì)的原則和規(guī)律[7]。

首先,在進(jìn)行場(chǎng)地選擇時(shí),以建造穩(wěn)固安全的橋梁為目的考慮諸如地質(zhì)等各方面的因素。其次,體系的規(guī)則性、整體性都要嚴(yán)格按照規(guī)范來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造,保障結(jié)構(gòu)的連續(xù)和良好的整體性。再次,構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性、強(qiáng)度的提升,是橋梁抗震設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，能力設(shè)計(jì)在橋梁抗震設(shè)計(jì)中占據(jù)著至關(guān)重要的位置,有差別的設(shè)計(jì)和建造以增強(qiáng)橋體整體性能。最后,建造多道抗震防線,以便橋梁在強(qiáng)震中得以保存[8]。

2.3 理念與方法

經(jīng)過(guò)多年收集的關(guān)于地震破壞的資料和研究實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn)抗震理念與方法經(jīng)過(guò)時(shí)代的變遷出現(xiàn)了方方面面的變化[9]。

2.3.1 抗震概念設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)兩部分組成了橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。從概念上來(lái)看,主要考慮的是總體的抗震工程決策;而從參數(shù)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行思考設(shè)計(jì),則關(guān)鍵是對(duì)結(jié)構(gòu)和支座變形驗(yàn)算、構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算、地震作用計(jì)算等方面來(lái)進(jìn)行的[10]。多年以來(lái)的抗震實(shí)踐和研究告訴我們,單單有精準(zhǔn)的計(jì)算能力并不足以勝任抗震工作,出色的抗震工作需要有優(yōu)良的抗震概念設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì),兩者呈現(xiàn)相輔相成缺一不可的密切聯(lián)系。只有同時(shí)具有這兩方面的設(shè)計(jì)和能力,在能夠避免陷入盲目的抗震工作中去。

2.3.2 結(jié)構(gòu)延性的提高

在對(duì)橋梁造成的損害當(dāng)中,首屈一指的就是地震的剪切破壞,此類危害不僅摧毀力大,還具有較高的發(fā)生率,是一種極其危險(xiǎn)的脆性破壞。然而要想解決這一問(wèn)題,最為重要的一個(gè)方式就是改善橋梁結(jié)構(gòu)延性,這樣才能夠在較大程度上起到抗震的作用。剪切破壞中,橋梁所受的慣性力是最為重要的一股摧毀力量,為了避免慣性力造成更大的倒塌性破壞,控制損傷截面、避免脆性剪切破壞、提高套箍效應(yīng)等措施都能在很大程度上增強(qiáng)橋梁的延性[11]。

2.3.3 損傷后變形性能驗(yàn)算

通常情況下,彈性理論設(shè)計(jì)能夠很好地保護(hù)橋梁,以免橋梁受到破壞。然而,一旦荷載力超出橋梁的彈性應(yīng)力,那么橋梁的安全就難以保障。此時(shí)對(duì)損傷后橋梁的變形能力進(jìn)行科學(xué)合理的驗(yàn)算,能夠在及早實(shí)施相關(guān)措施,以避免強(qiáng)震時(shí)橋梁崩壞。

2.3.4 關(guān)于地震響應(yīng)計(jì)算方法的改變

作為一種科學(xué)合理的預(yù)測(cè)計(jì)算方法,地震響應(yīng)是建立在實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)和長(zhǎng)期積累、以及對(duì)場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)特性的充分研究基礎(chǔ)上的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。地震響應(yīng)使得對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的驗(yàn)算方法從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變,這種預(yù)測(cè)驗(yàn)算更精準(zhǔn)、更有利于地震實(shí)測(cè)。

2.3.5 多階段設(shè)計(jì)方法

根據(jù)橋梁在地震發(fā)生時(shí)所受荷載力的強(qiáng)弱以及受損情況,需要有針對(duì)性的設(shè)計(jì)方法來(lái)保障橋梁無(wú)論在哪個(gè)階段都能有充分的安全,改變以往單一的抗震設(shè)計(jì)模式,逐步向多階段設(shè)計(jì)方法演進(jìn),區(qū)分類別,小震大震所需理論區(qū)別應(yīng)用。

2.3.6 減隔震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

阻尼特性、振動(dòng)周期性是減隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所獨(dú)有的特性,該設(shè)計(jì)方法能夠極其有效地吸收震能從而減輕地震的荷載力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,如今已研究出很多減隔震裝置,諸如鉛芯橡膠支座等,它們?cè)跇蛄嚎拐疬^(guò)程中起到了不可取代的作用?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō),減隔震結(jié)構(gòu)是當(dāng)今每個(gè)橋梁所必備的。

2.3.7 配筋構(gòu)造和落梁的防止措施

以確保核心混凝土延性為目的,抗震工作中對(duì)錨固構(gòu)造以及箍筋配置方法等都有了超出以往的更好的要求。在橋梁建設(shè)中,橋墩結(jié)構(gòu)的延性極其重要,這一點(diǎn)決定了在建造橋梁時(shí)要高度注意縱筋截?cái)嗝嬷兴苄糟q的設(shè)計(jì)。落梁的防止措施隨著橋梁建造技術(shù)的提高以及對(duì)抗震需求的增強(qiáng)而有了更加高的要求,人們?cè)诮ㄔ鞓蛄簳r(shí)致力于抗震工作的完善,以期能夠符合各方面的需求。

3 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)方法

3.1 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念

保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、可靠、耐用是橋梁設(shè)計(jì)的基本目的,抗風(fēng)設(shè)計(jì)亦是如此,具體而言,橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念要包括以下內(nèi)容:首先,在橋梁設(shè)計(jì)的使用年限內(nèi),在最大風(fēng)速下,橋梁結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)毀壞性的自激發(fā)散振動(dòng)。其次,在橋梁設(shè)計(jì)的使用年限內(nèi),在風(fēng)荷載等因素作用下,橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度應(yīng)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),不應(yīng)出現(xiàn)靜力失穩(wěn)。再次,結(jié)構(gòu)非破壞性風(fēng)致振動(dòng)的振幅應(yīng)滿足設(shè)計(jì)使用要求,如結(jié)構(gòu)疲勞、行車安全等。最后,可以采取相關(guān)措施提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力,如氣動(dòng)措施、機(jī)械措施、結(jié)構(gòu)措施等。

因自然風(fēng)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)致振動(dòng),橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)首先要求橋梁的設(shè)計(jì)風(fēng)速和臨界風(fēng)速(顫振、馳振)相比有充足的安全度,以保障橋梁結(jié)構(gòu)在不同階段的抗風(fēng)性都能滿足要求。另外,渦激共振與抖振的最大振幅應(yīng)控制在合理范圍之內(nèi),以避免影響橋梁的使用。

如果橋梁的初次設(shè)計(jì)方案不能達(dá)到抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)采取針對(duì)性措施,如氣動(dòng)措施、結(jié)構(gòu)措施等,最大限度的減少風(fēng)致振動(dòng)振幅并提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。

由于橋梁設(shè)計(jì)有許多階段,因此采用何種抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法應(yīng)以實(shí)際情況為根據(jù)。

在橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)工作中,必須重視風(fēng)特性參數(shù)、橋梁的動(dòng)力特性、顫振臨界風(fēng)速、抖振響應(yīng)等幾個(gè)重要因素,它們對(duì)做好橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)工作具有重要影響。

3.2 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法

在橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法上以位于江蘇省內(nèi)的蘇通長(zhǎng)江大橋?yàn)槔归_(kāi)分析。蘇通長(zhǎng)江大橋是斜拉橋,其跨度在世界上堪稱最大。在主航道橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)上,其采用的是有限元模型。

通過(guò)深入分析蘇通長(zhǎng)江大橋體系可知,模型選擇是開(kāi)展抗風(fēng)設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。在考慮風(fēng)荷載時(shí),蘇通長(zhǎng)江大橋綜合比較了Fixed-Free側(cè)位裝置生效、Fixed-Free全橋縱飄體系、Fixed-Free兩側(cè)限位裝置生效三種分析方式,最終認(rèn)為Fixed-Free兩側(cè)限位裝置生效分析方式最為適宜。然后通過(guò)科學(xué)分析和模擬斜拉橋、橋梁振動(dòng)以及結(jié)構(gòu),最終選擇斜拉索以平衡橋梁的各種振動(dòng)和風(fēng)力,保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、可靠、耐用。

作為結(jié)構(gòu)特性之一,橋梁工程界歷來(lái)重視結(jié)構(gòu)阻尼的測(cè)試與分析,在橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中,可以通過(guò)CH=FH/0.5PU2D進(jìn)行計(jì)算,在上述公式中,FH、U、P、D分別為阻力、來(lái)流風(fēng)速、空氣密度、橋塔塔柱橫橋的迎風(fēng)面寬度。對(duì)于風(fēng)荷載的計(jì)算,可以采取下列公式,即

(1)

(2)

(3)

(4)

在上式中,主梁的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、升力矩系數(shù)、高度、寬度分別為CD、CL、CM、H、B,橫橋、順橋的等效靜陣風(fēng)系數(shù)分別為GVT、GVA。

對(duì)于斜拉索的風(fēng)荷載,則可采取下列公式計(jì)算,即

(5)

(6)

在上式中斜拉索順橋、橫橋方向的阻力系數(shù)分別為CDX、CDZ,斜拉索的傾斜角度與直徑分別為α、D。至于橋墩的風(fēng)荷載計(jì)算方法,可比照以上公式。實(shí)現(xiàn)橋梁抗風(fēng)屬性最佳設(shè)計(jì),必須對(duì)各種系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,只有如此才能真正提高橋梁的抗風(fēng)性能。

目前橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)措施主要有提高結(jié)構(gòu)剛度與增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)煞N,對(duì)于一般大橋,提高結(jié)構(gòu)剛度后,固有頻率會(huì)增大,這就可以縮小振幅。對(duì)于柔性的大跨度橋,通常增加主梁剛度。大橋結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加后,就可以縮小風(fēng)致振動(dòng)的振幅,降低原有的頻率,有效減少風(fēng)致振動(dòng)的危害。

4 結(jié)束語(yǔ)

橋梁的抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)從實(shí)際出發(fā),根據(jù)具體情況選擇設(shè)計(jì)方法,重視搜集資料,選擇最為合理的設(shè)計(jì)模型,只有如此,才能保證橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足抗風(fēng)、抗震的要求,提高橋梁質(zhì)量。

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2016-08-05；修改日期：2016-08-10

王英偉(1979-)，男，吉林農(nóng)安人，大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院高級(jí)工程師．

U442.55

A

1673-5781(2016)04-0492-04