桥梁抗震、抗风设计理念及方法研究

王英伟

(大连理工大学 土木建筑设计研究院有限公司,辽宁 大连 116023)

桥梁抗震、抗风设计理念及方法研究

王英伟

(大连理工大学 土木建筑设计研究院有限公司,辽宁 大连 116023)

桥梁建设对交通发展具有重要意义，随着我国经济的发展，交通也在不断进步，桥梁建设的重要性也愈发突出。目前，国内外对于大跨度桥梁的研究主要集中在桥梁地震反应特性方面，鲜有对桥梁结构桥梁抗震与抗风设计的研究。对于桥梁而言，其抗震、抗风性能直接影响使用质量，特别是近年来地震等自然灾害频繁发生，桥梁抗震、抗风设计更为重要，文章主要对当前桥梁抗震、抗风设计理念及方法进行了探讨，以便于设计人员合理运用桥梁设计思想。

桥梁抗震；桥梁抗风；设计理念；设计方法

地震和风灾对桥梁破坏严重,特别是风灾,发生频繁,对桥梁造成的病害更多,轻者影响桥梁使用,重者会造成桥梁毁损,甚至发生重大事故[1]。目前,对桥梁的研究主要集中于桥梁工程的管理,鲜有对桥梁建设,尤其是桥梁抗震、抗风设计理念及方法的研究。桥梁抗震、抗风设计关乎桥梁质量,本文就从这方面出发,对其展开研究,为设计人员提供借鉴。

1 桥梁抗震抗风设计的重要性

桥梁抗震、抗风设计不是从来就有的,它是实践经验的总结。在所有自然灾害中,地震的危害性最大,强烈的地震会对桥梁有毁灭性损害[2]。风灾又是发生最为频繁的自然灾害,其对桥梁造成的病害也多种多样,轻者会影响桥梁使用功能,重者则会导致桥梁毁坏,甚至可能发生严重的安全事故[3]。桥梁抗震抗风设计理念是在总结地震、风灾等自然灾害和工程经验的基础上得到的设计原则和设计思想,在其指导下进行桥梁设计工作,可以提高桥梁的安全性,延长桥梁使用寿命,因此,桥梁抗震、抗风设计至关重要。

2 桥梁抗震设计

2.1 地震对桥梁的主要破坏

地震的危害是巨大的,它的危害侵蚀着生活的方方面面,其对桥梁的破坏主要表现在以下几个方面:损伤支座、破坏落梁、破坏弯剪、破坏弯曲等。

2.1.1 损伤支座

支座发生损伤,主要是由于上部结构所受到的地震惯性力自上而下传递蔓延到支座,若是支座在设计建造时没有足够的抗震能力和负荷能力,那么就会因承受不住上部传递下来的这股力量从而发生支座损伤的情况。这也是导致落梁被破坏的关键性原因。虽然其造成了不可挽救的支座损伤,但从另一方面来说,这种情况也非常有效地避免了地震力量对桥墩的进一步破坏[4]。

2.1.2 破坏落梁

落梁破坏的原因主要是由于桥墩和梁之间发生了较大的位移,从而使得桥梁缺乏支撑,支座的约束力丧失。也就是说,该类破坏情况的产生就是由水平位移过大造成的。此类情况主要有梁间地震碰撞、支座破坏、梁体支撑长度不足、相对位移大等。

2.1.3 破坏弯剪

在发生地震时,桥梁结构的荷载能力受到剪切力的考验,一旦剪切面承受的剪切力超过了桥梁的承受强度,那么桥体就容易出现剪切破坏,主要的破坏过程为:超强的剪切力使截面出现一些水平弯曲的裂缝;之后荷载强度逐渐增大,裂缝也逐步得到了发展,斜方向的裂缝在柱体内由此产生;箍筋屈服,剪切裂缝增大;最后,桥体难以再承受荷载,出现脆性剪切破坏[5]。

2.1.4 破坏弯曲

水平地震的强力破坏使桥体弯曲,桥梁内部混凝土出现被压碎、崩裂,致使整个桥体丧失了承载能力。首先,弯矩上承受的荷载力达到开裂强度,随之而来的就是几面水平弯曲裂缝;然后,荷载强度和裂缝都持续增强、增大,从而使处于侧拉位置的纵筋达到了屈服强度;紧接着,桥体出现大幅度变形,内部塑性铰范围变大、桥体的混凝土保护层一点点发生脱落现象;最后,桥体的内部混凝土崩裂、压碎,桥身钢筋被拉断[6]。

2.2 抗震设计原则

出于对桥体稳固、质量最佳的高度需求,在进行抗震设计时,要充分考虑到桥体的延性、刚度、强度等各方面的使用需求。用此种方式来使得抗震设计更具有合理性和可建造性。在此之前,若想充分了解抗震设计的要求和思路,就要深入实践,以自身的创造力和丰富的经验来发现并寻找抗震设计的原则和规律[7]。

首先,在进行场地选择时,以建造稳固安全的桥梁为目的考虑诸如地质等各方面的因素。其次,体系的规则性、整体性都要严格按照规范来进行设计建造,保障结构的连续和良好的整体性。再次,构件和结构的延性、强度的提升,是桥梁抗震设计中的重要内容，能力设计在桥梁抗震设计中占据着至关重要的位置,有差别的设计和建造以增强桥体整体性能。最后,建造多道抗震防线,以便桥梁在强震中得以保存[8]。

2.3 理念与方法

经过多年收集的关于地震破坏的资料和研究实践经验,可以发现抗震理念与方法经过时代的变迁出现了方方面面的变化[9]。

2.3.1 抗震概念设计

参数设计和概念设计两部分组成了桥梁结构抗震设计。从概念上来看,主要考虑的是总体的抗震工程决策;而从参数设计方面进行思考设计,则关键是对结构和支座变形验算、构件强度验算、地震作用计算等方面来进行的[10]。多年以来的抗震实践和研究告诉我们,单单有精准的计算能力并不足以胜任抗震工作,出色的抗震工作需要有优良的抗震概念设计和参数设计,两者呈现相辅相成缺一不可的密切联系。只有同时具有这两方面的设计和能力,在能够避免陷入盲目的抗震工作中去。

2.3.2 结构延性的提高

在对桥梁造成的损害当中,首屈一指的就是地震的剪切破坏,此类危害不仅摧毁力大,还具有较高的发生率,是一种极其危险的脆性破坏。然而要想解决这一问题,最为重要的一个方式就是改善桥梁结构延性,这样才能够在较大程度上起到抗震的作用。剪切破坏中,桥梁所受的惯性力是最为重要的一股摧毁力量,为了避免惯性力造成更大的倒塌性破坏,控制损伤截面、避免脆性剪切破坏、提高套箍效应等措施都能在很大程度上增强桥梁的延性[11]。

2.3.3 损伤后变形性能验算

通常情况下,弹性理论设计能够很好地保护桥梁,以免桥梁受到破坏。然而,一旦荷载力超出桥梁的弹性应力,那么桥梁的安全就难以保障。此时对损伤后桥梁的变形能力进行科学合理的验算,能够在及早实施相关措施,以避免强震时桥梁崩坏。

2.3.4 关于地震响应计算方法的改变

作为一种科学合理的预测计算方法,地震响应是建立在实测经验和长期积累、以及对场地运动特性的充分研究基础上的动力学问题。地震响应使得对桥梁结构安全的验算方法从静态向动态转变,这种预测验算更精准、更有利于地震实测。

2.3.5 多阶段设计方法

根据桥梁在地震发生时所受荷载力的强弱以及受损情况,需要有针对性的设计方法来保障桥梁无论在哪个阶段都能有充分的安全,改变以往单一的抗震设计模式,逐步向多阶段设计方法演进,区分类别,小震大震所需理论区别应用。

2.3.6 减隔震结构的应用

阻尼特性、振动周期性是减隔震结构设计所独有的特性,该设计方法能够极其有效地吸收震能从而减轻地震的荷载力。随着科学技术的发展,如今已研究出很多减隔震装置,诸如铅芯橡胶支座等,它们在桥梁抗震过程中起到了不可取代的作用。可以毫不夸张地说,减隔震结构是当今每个桥梁所必备的。

2.3.7 配筋构造和落梁的防止措施

以确保核心混凝土延性为目的,抗震工作中对锚固构造以及箍筋配置方法等都有了超出以往的更好的要求。在桥梁建设中,桥墩结构的延性极其重要,这一点决定了在建造桥梁时要高度注意纵筋截断面中塑性铰的设计。落梁的防止措施随着桥梁建造技术的提高以及对抗震需求的增强而有了更加高的要求,人们在建造桥梁时致力于抗震工作的完善,以期能够符合各方面的需求。

3 桥梁抗风设计理念与设计方法

3.1 桥梁抗风设计理念

保证桥梁结构安全、可靠、耐用是桥梁设计的基本目的,抗风设计亦是如此,具体而言,桥梁抗风设计理念要包括以下内容:首先,在桥梁设计的使用年限内,在最大风速下,桥梁结构不应出现毁坏性的自激发散振动。其次,在桥梁设计的使用年限内,在风荷载等因素作用下,桥梁结构的强度与刚度应符合设计标准,不应出现静力失稳。再次,结构非破坏性风致振动的振幅应满足设计使用要求,如结构疲劳、行车安全等。最后,可以采取相关措施提高结构的抗风能力,如气动措施、机械措施、结构措施等。

因自然风会导致风致振动,桥梁抗风设计首先要求桥梁的设计风速和临界风速(颤振、驰振)相比有充足的安全度,以保障桥梁结构在不同阶段的抗风性都能满足要求。另外,涡激共振与抖振的最大振幅应控制在合理范围之内,以避免影响桥梁的使用。

如果桥梁的初次设计方案不能达到抗风标准,应采取针对性措施,如气动措施、结构措施等,最大限度的减少风致振动振幅并提高结构的抗风性能。

由于桥梁设计有许多阶段,因此采用何种抗风设计方法应以实际情况为根据。

在桥梁抗风设计工作中,必须重视风特性参数、桥梁的动力特性、颤振临界风速、抖振响应等几个重要因素,它们对做好桥梁抗风设计工作具有重要影响。

3.2 桥梁抗风设计方法

在桥梁抗风设计方法上以位于江苏省内的苏通长江大桥为例展开分析。苏通长江大桥是斜拉桥,其跨度在世界上堪称最大。在主航道桥抗风设计上,其采用的是有限元模型。

通过深入分析苏通长江大桥体系可知,模型选择是开展抗风设计工作的基础。在考虑风荷载时,苏通长江大桥综合比较了Fixed-Free侧位装置生效、Fixed-Free全桥纵飘体系、Fixed-Free两侧限位装置生效三种分析方式,最终认为Fixed-Free两侧限位装置生效分析方式最为适宜。然后通过科学分析和模拟斜拉桥、桥梁振动以及结构,最终选择斜拉索以平衡桥梁的各种振动和风力,保证桥梁结构安全、可靠、耐用。

作为结构特性之一,桥梁工程界历来重视结构阻尼的测试与分析,在桥梁抗风设计中,可以通过CH=FH/0.5PU2D进行计算,在上述公式中,FH、U、P、D分别为阻力、来流风速、空气密度、桥塔塔柱横桥的迎风面宽度。对于风荷载的计算,可以采取下列公式,即

(1)

(2)

(3)

(4)

在上式中,主梁的阻力系数、升力系数、升力矩系数、高度、宽度分别为CD、CL、CM、H、B,横桥、顺桥的等效静阵风系数分别为GVT、GVA。

对于斜拉索的风荷载,则可采取下列公式计算,即

(5)

(6)

在上式中斜拉索顺桥、横桥方向的阻力系数分别为CDX、CDZ,斜拉索的倾斜角度与直径分别为α、D。至于桥墩的风荷载计算方法,可比照以上公式。实现桥梁抗风属性最佳设计,必须对各种系数进行计算,只有如此才能真正提高桥梁的抗风性能。

目前桥梁的抗风设计措施主要有提高结构刚度与增加结构质量两种,对于一般大桥,提高结构刚度后,固有频率会增大,这就可以缩小振幅。对于柔性的大跨度桥,通常增加主梁刚度。大桥结构质量增加后,就可以缩小风致振动的振幅,降低原有的频率,有效减少风致振动的危害。

4 结束语

桥梁的抗震与抗风设计应从实际出发,根据具体情况选择设计方法,重视搜集资料,选择最为合理的设计模型,只有如此,才能保证桥梁设计结构满足抗风、抗震的要求,提高桥梁质量。

[1] 刘化涤.桥梁抗震设计研究与新技术应用[J].交通标准化,2012(3):130～132.

[2] 盛士刚.试论桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法[J].黑龙江科技信息,2012(34):266.

[3] 杨 威,蒋敏杰.试论桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法[J].科技创业家,2012(23):28.

[4] 梁 浩.桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法探讨[J].建设科技,2015(20):92～93.

[5] 柴淑梅.公路桥梁抗震设计的现状和发展[J].公路交通科技(应用技术版),2011(2):152～154.

[6] 张 伟.结构振动控制在桥梁抗震和抗风设计中的应用[J].硅谷,2011(5):148,187.

[7] 王克海,李 冲,李 悦.中国公路桥梁抗震设计规范中存在的问题及改进建议[J].建筑科学与工程学报,2013(2):95～103.

[8] 冉光海.公路桥梁设计中新理念的运用研究[J].黑龙江交通科技,2015(2):138～139.

[9] 祝文澜.桥梁抗风控制与设计探讨[J].城市建筑, 2014(8):362～363.

[10] 卢宇波.中小跨径公路桥梁抗震设计理念及方法[J].珠江水运, 2016(10)：154～155.

[11] 马天乐.桥梁抗震设计分析及探讨[J].建筑工程技术与设计, 2014(17)：14～16.

2016-08-05；修改日期：2016-08-10

王英伟(1979-)，男，吉林农安人，大连理工大学土木建筑设计研究院高级工程师．

U442.55

A

1673-5781(2016)04-0492-04