姜全成

(山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南 250101)

地震、風(fēng)、船舶撞擊等因素都會(huì)引起橋梁的振動(dòng)破壞甚至倒塌。事實(shí)證明，世界上由于地震襲擊而毀壞的橋梁數(shù)量，遠(yuǎn)多于風(fēng)振、船撞等其他原因而破壞的橋梁。所以，我們必須高度重視橋梁的震害，并通過(guò)抗震設(shè)計(jì)的方法減小地震對(duì)橋梁的破壞。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理論是基于強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，而基于性能的抗震理論是橋梁抗震研究發(fā)展的方向。

1 橋梁震害

地震具有突發(fā)性，其持續(xù)時(shí)間短而釋放的能量大。1971年美國(guó)圣費(fèi)南多地震，1976年中國(guó)唐山地震，1989年美國(guó)洛馬普里埃塔地震，1994年美國(guó)北嶺地震，1995年日本神戶地震，1999年中國(guó)臺(tái)灣集集地震，1999年土耳其Kocaeri地震，2008年中國(guó)汶川地震等對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成了很大破壞。通過(guò)對(duì)地震后橋梁破壞狀況的大量調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)橋梁震害主要有以下四個(gè)方面：(1)橋梁上部結(jié)構(gòu)的震害。這種震害相對(duì)少見(jiàn)，主要發(fā)生在地基和施工質(zhì)量較差的情況。(2)支座的震害。支座是橋梁整體抗震中的薄弱環(huán)節(jié)，主要原因是支座設(shè)計(jì)沒(méi)有充分考慮抗震的要求，構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足，某些支座型式和材料的缺陷等。(3)落梁的震害。落梁大都發(fā)生在順橋向，橫橋向的落梁較少見(jiàn)。主要原因有：橋臺(tái)傾斜或倒塌、河岸滑坡、地基下沉、橋墩破壞、支座破壞、梁體碰撞、相鄰墩發(fā)生過(guò)大相對(duì)位移等。(4)下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的震害。下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是導(dǎo)致橋梁倒塌，并在震后難以修復(fù)使用的主要原因。橋梁墩臺(tái)因?yàn)樯惩烈夯?、地基下沉、岸坡滑移或開(kāi)裂引起的破壞很難采用加強(qiáng)它們的抗震能力來(lái)避免，應(yīng)該在橋址、橋型、結(jié)構(gòu)布置選擇上加以避免。

對(duì)于橋梁的震害主要通過(guò)三個(gè)方面加以防范：(1)規(guī)定橋址與橋型的選擇原則以及處理對(duì)策，從宏觀上控制橋梁震害的發(fā)生。(2)通過(guò)對(duì)橋梁進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其抗震能力。(3)提供各種構(gòu)造措施的處理原則與方法加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的抗震能力。

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

目前，橋梁抗震設(shè)計(jì)方法主要有以下三種。

2.1 靜力法

W為結(jié)構(gòu)物各部分重量；

g為標(biāo)準(zhǔn)自由落體加速度；

K為地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值與標(biāo)準(zhǔn)自由落體加速度g的比值。

靜力法的主要缺點(diǎn)是把地震動(dòng)加速度視為地震破壞的唯一因素，忽略了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)物的基本固有周期遠(yuǎn)小于地面運(yùn)動(dòng)的卓越周期時(shí)，結(jié)構(gòu)物在地震振動(dòng)時(shí)才可以被視為剛體，靜力法才能適用，超出這個(gè)范圍，就不可能適用[1]。

2.2 動(dòng)力反應(yīng)譜法

1948年G. W. Houser提出基于反應(yīng)譜理論的抗震計(jì)算的動(dòng)力法。地震振動(dòng)反應(yīng)譜是指位移反應(yīng)譜、擬速度反應(yīng)譜和擬加速度反應(yīng)譜。應(yīng)用反應(yīng)譜理論計(jì)算地震力的公式為：

g為標(biāo)準(zhǔn)自由落體加速度；

W為體系的總重量；

為了考慮結(jié)構(gòu)的延性耗能作用，引入了結(jié)構(gòu)綜合影響系數(shù)Cz，則地震力計(jì)算公式變?yōu)椋篜=Cz·kH·β·W

2.3 動(dòng)力時(shí)程法

直接輸入地震加速度時(shí)程作為地震荷載，即動(dòng)力時(shí)程法。地震加速度時(shí)程可以通過(guò)三種方法得到：進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析，得到人工地震加速度時(shí)程作為地震輸入荷載；利用結(jié)構(gòu)物所在場(chǎng)地附近同類地質(zhì)條件下的地震記錄；利用國(guó)際上常用的地震加速度記錄。地震波的輸入形式一般采取同步單點(diǎn)輸入，必要時(shí)可以考慮不同步單點(diǎn)輸入，或者同步、不同步多點(diǎn)輸入。每個(gè)輸入點(diǎn)的地震加速度時(shí)程可以是相同的或不同的[2]。

3 橋梁抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展

早期的結(jié)構(gòu)抗震理論采用的是靜力法，忽略了結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地土的動(dòng)力特性，是一種基于強(qiáng)度控制的一階段抗震設(shè)計(jì)方法。后來(lái)的反應(yīng)譜理論雖然引入了結(jié)構(gòu)綜合影響數(shù)Cz來(lái)考慮結(jié)構(gòu)延性的影響，但從根本上仍然是以強(qiáng)度控制為主。一階段抗震設(shè)計(jì)方法的根本缺陷是沒(méi)有正確考慮結(jié)構(gòu)延性對(duì)抗震的貢獻(xiàn)，給人一種只要增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就能提高結(jié)構(gòu)抗震能力的錯(cuò)覺(jué)。動(dòng)力時(shí)程法使橋梁抗震由單純由強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)為強(qiáng)度和延性共同控制，并且可以考慮非線性、結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土的共同作用等，為二階段結(jié)構(gòu)抗震方法的建立提供了基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)二階段抗震設(shè)計(jì)的思想通過(guò)三水準(zhǔn)二階段的設(shè)計(jì)來(lái)具體實(shí)施。三水準(zhǔn)是指：小震不壞、中震可修、大震不倒。二階段設(shè)計(jì)是指：(1)在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)物保持不壞，或允許輕度破壞，但經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單維修后即可使用。此時(shí)結(jié)構(gòu)處于彈性工作范圍，或少量進(jìn)入塑性狀態(tài)，以強(qiáng)度控制作為破壞準(zhǔn)則。(2)在罕遇地震作用下時(shí)，允許結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞，但不能發(fā)生結(jié)構(gòu)倒塌。此時(shí)結(jié)構(gòu)處于塑性范圍，以結(jié)構(gòu)的延性作為破壞準(zhǔn)則。

為了實(shí)現(xiàn)兩階段的抗震設(shè)計(jì)理念，人們提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)方法可以通過(guò)控制結(jié)構(gòu)的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)，這便是直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法(direct displacement — based seismic design method)。直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)是直接以位移為設(shè)計(jì)參數(shù)，針對(duì)不同地震設(shè)防水準(zhǔn)，制定相應(yīng)的目標(biāo)位移，并且通過(guò)設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)在給定水準(zhǔn)地震作用下達(dá)到預(yù)先指定的目標(biāo)位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)地震行為的控制。直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)理論主要包括三個(gè)方面:直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法、位移需求估計(jì)方法和目標(biāo)位移的確定[3]。其中位移需求可以通過(guò)直接利用彈性位移反應(yīng)譜、等效線性法、能力譜法、非線性地震時(shí)程分析法等得到。

4 結(jié)束語(yǔ)

地震對(duì)橋梁的危害是巨大的，人類認(rèn)識(shí)地震對(duì)結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的道路是曲折的。通過(guò)結(jié)構(gòu)抗震工程師的不斷努力，找到一種合理的結(jié)構(gòu)抗震理論，提高結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性是人們正在不斷追求的目標(biāo)。