橋樑結構抗震

橋樑結構抗震

seismic resistance of bridge structure

地震經常發生，據統計全世界每年可達數百萬次，但其中絕大多數是小地震，不為人們所感覺，只有極少量震級M(見地震烈度)在 5級以上的較強烈的地震會造成災害，平均每年只有十多次。如中國1976年7月28日3時42分56秒在唐山豐南的強地震(M=7.8),該地區公路中等跨度簡支梁橋的震害大都是擺柱式支座傾倒、固定支座齒板剪脱滑出，有的是墩台傾斜，樁柱式墩的基樁折斷，甚至墩倒梁落(見圖)；而柔性樁墩的雙曲連續拱橋的震害多為主拱圈和拱上建築的小拱圈嚴重開裂，個別有主拱圈拱起而嚴重破壞。該地區的鐵路橋樑因橋墩基礎較好，側向剛度較強，震害嚴重程度比公路橋稍輕，如墩台沿施工接縫處開裂或被剪斷，鋼支座的錨固螺栓被拉出而移位，但落梁事故較少。在其他多地震國家如日本，橋樑震害也以中小跨度的橋樑為多。日本1964年7月新潟地震(M=7.5)時，昭和大橋因河牀土層液化導致墩台基礎大規模下沉而落梁。大跨度的懸索橋和斜張橋尚無因地震墜落的事例，但在日本一些輕便懸索橋有塔柱折斷，纜索破壞的震害。在多地震國家如日本、美國都積極開展這類大跨度橋樑結構的抗震研究。中國也正在研究地震區天津市郊建造大跨預應力混凝土斜張橋的抗震性能。

：①在強烈地震時，地形地貌產生劇烈的變化（如地裂、斷層等），河流兩岸地層向河心滑移等導致橋樑結構的破壞；②地震時河牀砂土液化，地基失效，橋樑墩台基礎大量下沉或不均勻下沉引起的破壞；③在地震慣性力作用下，導致橋樑結構某一部分產生的內力或變位超過結構構造和材料強度所能承受的限度，從而發生不同程度的破壞。

在震害宏觀調查和理論研究的基礎上,探求橋樑結構震害的規律,據以作出橋樑結構抗震設計的規定。多地震國家，以及中國都制定、頒佈了和工程有關的抗震設計規範，如《鐵路工程抗震設計規範》(1977年試用)和《公路工程抗震設計規範》（1978年試用）。

。橋位應選擇在對抗震有利的地段，儘可能避免選擇在軟弱粘性土層、可液化土層和地層嚴重不均勻的地段，特別是發震斷層地段。如必須設置在可液化或鬆軟土層的河岸地段時，橋長應適當增長，將橋台置於穩定的河岸上，而橋墩基礎要加強。橋型要選擇抗震性能好、整體性強的結構體系，如連續梁，無鉸拱等。如中國趙州橋，系石拱橋，地處多地震區，建橋1300多年以來，經歷多次強烈地震，猶屹立未毀。如在軟土地基上選用簡支梁或懸臂樑體系（帶有掛孔）時，應在構造上加強防止落梁的措施。墩台結構應選用整體性好的結構形式。基礎要埋入穩定土層內。

。地震時，各地區地面受到的影響和程度，稱地震烈度，以度表示。某一地區今後一定的時期內，可能遭到的最大地震烈度稱基本烈度（一般為百年一遇的最大地震烈度）。各地區的基本烈度由國家制定並標明在全國地震烈度圖上。工程結構抗震設計所採用的地震烈度稱設計烈度，一般在橋樑結構的抗震設計中即按基本烈度取用，特別重要的結構要經過有關權限單位批准後可提高一度作為設計烈度。根據大量震害調查的事實表明,在基本烈度7度以下,橋樑震害極為輕微,因而，規範中規定橋樑結構抗震設防的一般起點為基本烈度7度，最高9度。7度以下,結構不必進行抗震設計，高於 9度或有特殊抗震要求的新型結構要專門研究它的抗震設計。

。對一般橋樑工程，則按規範所規定的簡化方法進行結構抗震設計。中國規範是採用反應譜理論（見地震作用），即根據設計烈度，以簡便的地震荷載係數計算地震慣性力，作為地震荷載，然後以一般結構靜力設計計算步驟求得結構最大內力和變位，使其控制在規範容許值的範圍內來確保結構的抗震安全。

對大跨度或特別重要的橋樑結構，應對結構進行地震動力分析（地震反應分析）。分析的方法一般是直接根據建橋地區在強震時地面運動的加速度記錄，依照動力學的原理，應用電子計算技術，對結構作地震動力分析計算。對於已經建成的橋樑結構，如不滿足現行規範抗震設防的要求，也可通過結構地震動力分析作進一步的抗震鑑定和決擇最優加固方案。

在強烈地震區，為了經濟，結構抗震設計可以容許結構局部出現不太嚴重影響使用和易於修復的塑性變形、裂縫或損壞；但為了安全目的，則要力求主要承重結構即使遭受嚴重損壞也不致倒塌，以減少生命財產的損失。

為防止或減輕震害，提高結構抗震能力，對結構構造所作的改善和加強處理，通常稱為抗震措施。各國的工程結構抗震規範對此都有明確的規定。對於橋樑結構,這些措施可歸納為:①對結構抗震的薄弱環節在構造上予以加強；②對結構各部加強整體聯結；③對梁式橋，要在墩台上設置防止落梁的縱、橫向擋塊，以及上部結構之間的連接件；④加強橋樑支座的錨固;⑤加強墩台及基礎結構的整體性，增強配筋,提高結構的延性；⑥對橋位處的不良土質應採取必要的土層加固措施；⑦須特別重視施工質量，如施工接縫處的強度保證等；⑧在重要的大橋上，必要時需採用減震消能裝置，如橡膠墊塊，特製的消能支座等。

地震具有突發性與毀滅性，一次地震，持續時間往往只有幾十秒，卻會造成巨大的生命財產損失，這是其它自然災害無法相比的。歷來是嚴重危害人類的大自然災害，尤其是最近20年全球發生的許多次大地震，其中，多次破壞性地震都集中在城市，造成了非常慘重的生命財產損失。城市地震的共同特點是：由於橋樑工程遭到嚴重破壞，切斷了震區交通生命線工程，造成救災工作的巨大困難，使次生災害加重，對交通線的依賴性越來越強，而一旦地震使交通線遭到破壞，可能導致的生命財產以及間接經濟損失也將會越來越大。數次大地震一再顯示橋樑工程破壞的嚴重後果，也再次顯示了橋樑工程抗震研究的重要性。

早期結構抗震計算採用的是靜力理論。靜力計算理論假設結構物各個部分與地震動具有相同的振動。此時，結構物只受慣性力的作用（等於地面運動加速度乘以結構物質量）。即忽略地面運動特性與結構的動力特性因素，只是簡單地把結構在地震時的動力反應看作是靜止的地震慣性力。在地震慣性力的作用下分析結構的內力。1915年，佐野提出震度法，即根據靜力法的概念提出以結構的10%的重量作為水平地震荷載，於1923年關東大地震後的次年建立了最早的橋樑下部結構工程的抗震分析方法。從動力學的角度分析，把地震加速度看作是結構破壞的單一因素有極大的侷限性，因為它忽略了結構的動力特性這一重要因素。只有當結構物的基本固有周期比地面卓越週期小很多時，結構物在地震振動時才可能幾乎不產生變形而被當作剛體，靜力法才能成立。由於其理論上的侷限性，已較少使用，但其概念簡單，計算公式簡明扼要，在橋台和擋土結構等質量較大的剛性結構的抗震計算中仍常常用到。

反應譜法是當前結構抗震設計中廣泛使用的方法。反應譜法是採用“地震荷載”的概念，從地震動出發求結構的最大地震反應，但同時考慮了地面運動和結構的動力特性，比靜力法有很大的進步。反應譜是不同固有頻率的單質點體系在一定阻尼係數的條件下輸入不同地面運動後得到的位移反應、速度反應和加速度反應最大值的平滑處理過的外包絡曲線。反應譜法用於抗震計算包括三個基本步驟：第一步是獲得地震動反應譜；第二步是將結構振動方程進行振型分解，將物理位移用振型廣義座標表示，而廣義座標的最大值由第一步中所得反應譜求得；第三步是反應量的最大值可通過適當的方法將各振型反應最大值進行線性疊加，得出這項反應的最大值。

反應譜法概念簡單，計算方便，可以用較小的計算量獲得結構最大反應值。採用反應譜法只需取少數幾個低階振型就可以求得較為滿意的結果，計算量少，且反應譜法將動力問題轉化成擬靜力問題，易為工程師所接受。採用反應譜法不能考慮多點激勵，不能進行非線性地震反應分析。

動態時程分析法從選定合適的地震動輸入出發，採用多節點多自由度的結構有限元動力計算模型建立地震振動方程，然後採用逐步積分法對方程進行求解，計算地震過程中結構每一瞬時的位移、速度和加速度反應，從而可以分析出結構在地震作用下彈性和非彈性階段的內力變化以及構件逐步開裂、損壞直至倒塌的全過程。這一計算過程相當冗繁，須藉助專用計算程序完成。動態時程分析法可以精確地考慮地基和結構的相互作用，地震時程相位差及不同地震時程多分量多點輸入，結構的各種複雜非線性因素（包括幾何、材料、邊界連接條件非線性）以及分塊阻尼等問題，

建立結構動力計算圖式和相應地震振動方程，使結構的非線性地震反應分析更趨於成熟與完善。

Push—over分析方法是將地震荷載等效成側向荷載，通過對結構施加單調遞增水平荷載來進行分析的一種非線性靜力分析方法，它研究結構在地震作用下進入塑性狀態時的非線性性能。採用對結構施加呈一定分佈的單調遞增水平力的加載方式，用二維或偽三維力學模型代替原結構，按預先確定的水平荷載加載方式將結構“推”至一個給定的目標位移，來分析其進入非線性狀態的反應，從而得到結構及構件的變形能力是否滿足設計及使用功能的要求。儘管這一方法還有待進一步完善，但它基本可以滿足工程要求。對於橋樑結構來説，Push over分析方法通常將相鄰伸縮

縫之間的橋樑結構當做空間獨立框架考慮，上部結構通常假定為剛性，分析的初始階段是對單獨的排架墩在所考慮的方向上（順橋向或橫橋向）進行獨立的倒塌分析，以獲得構件在單調遞增水平荷載作用下的整個破壞過程和變形特徵，從而發現橋樑結構的薄弱環節。

計算纜索線形的方法可以分為解析法和有限元法。在有限法計算纜索單元的非線性剛度矩陣有等效彈性模量、等效割線彈性模量法。

1等效彈性模量

在斜拉橋或懸索橋中，纜索的垂度影響纜索的表觀剛度，隨着纜索張力的增加，垂度減少，傾斜纜索的軸向表觀剛度增加，簡便計算方法是Enst等效彈性模量計算方法。

2等效割線彈性模量

如果纜索拉力在施加一荷載=增量過程中從Ti增加到Tj，那麼在荷載增量範圍內等效割線彈性模量可表達為： ^[1]