桥梁抗震设计方法与减隔震技术研究
摘要
关键词
桥梁;抗震设计;减隔震技术;应用
正文
随着我国经济的迅速发展,城市化进程的加快,城市人口密度大,经济发展速度快,相应的运输网络建设也日趋完善,运输系统的安全性和稳定性将直接关系到城市的发展质量和居民的生命安全。因此,在进行桥梁工程施工时,不仅要保证施工质量,还要保证其具有较好的抗震性能,因为一旦发生破坏性的地震,桥梁就会成为地震中的首要工程,同时也会严重影响到后续的救援和重建工作,因此,要从整体上加强桥梁的抗震性能,尽量减少桥梁在地震中的重大损失。
1.桥梁抗震设计优势分析
首先,在地震作用下,桥梁结构的抗震设计可以保证结构的各支座在地震作用下的受力平衡,在承受较大的荷载作用下,还能保证各支座在承受较大的荷载作用下依然能保持稳定;其次,它可以对桥梁的横向刚度进行有效地控制,从而使其在受到扭转作用时仍能维持在平衡状态,从而减少地震的危害。第三,在地震发生后,桥梁的抗震设计可以有效地减少或消除因整个结构的弹性区间过大而引起的局部变形。四是合理的结构设计,既保证了结构的稳定,又保证了结构的抗震性能,又不会增加工程造价。第五,当遇到地震灾害时,桥梁的抗震设计可以有效地保证结构的稳定,使得结构在发生位移时仍能保持较好的承载力,并能有效地降低裂缝的产生。其六,良好的桥梁结构抗震设计,可以保证在大地震发生后,更方便地进行桥梁的维修,从而缩短施工周期,使桥梁重新投入使用。
2.桥梁抗震设计要点
2.1合理地选择材料,提高抗震效果
加强对桥梁工程的实地考察,加强对桥梁结构的材料质量,以提高其稳定性。在进行连接设备的设计时,应选用具有良好延展性的材料,同时还应根据道路桥梁工程场地的环境条件对材料的适应性。目前很多道路桥梁都在使用新的材料,所以在选用新颖的材料时,应该先进行材料测试,把性能优良的新材料融入到桥梁的有关结构中,从而达到结构的稳定和美观。
2.2桥梁总体设计对其抗震性能的影响
桥址的选取是桥梁抗震设计中必须考虑的一条重要原则,通过对我国过去几年发生的桥梁结构的破坏情况进行分析,得出结论:若不满足有关安全设计规范,对桥梁结构的破坏将大大提高。因此,在选址时,既要兼顾施工现场的平稳,又要兼顾地质构造的适宜。对于工程建筑物,结构的对称度愈高,其抗震性能愈佳。在桥梁设计中,确保对称性既有利于桥梁的强度,又有利于整体结构的稳定。对称度最大的结构,其刚度分布更加合理,且应力分布更加均匀。就桥梁结构而言,其对称性表现在以下三个方面:①跨径组合的对称,对于连续梁桥,在跨度大的跨度上,通常可以采用纵向滑动支撑和伸缩缝进行调节;(2)墩高配置对称,在地形条件有限的情况下,可以通过调节桥墩的截面刚度或支撑方式,使整联桥的桥墩刚度匹配;(3)支撑系统的对称性,主要是为了防止一组桥墩的受力不均而造成最终墩身截面尺寸有很大差别。桥梁结构的抗震设计必须对其强度、刚度、延性等指标进行科学、合理地设计,以保证结构抗震性能的最优指标。因此,在设计时,必须对影响结构抗震性能的各个因素有足够的认识,并根据以往的设计经验,进行创造性地运用,而不能简单地按照设计规范来实施。
2.3加强墩柱设计控制
墩柱是桥梁工程中的重要组成部分,它既能承载桥梁的结构,又能有效地阻尼、隔震,所以墩柱也是建筑抗震设计的重要内容。在墩柱设计中应强化质量管理,应从以下两个方面加以考量:一是依据桥墩可能出现的振动强度来判断墩柱能否经受得住,通过对墩柱结构系统的优化,保证其抗震能力;二是在选择墩柱时,使其强度和承载能力达到协调一致,并加强其稳定,真正实现防震作用。
3.减隔震桥梁设计方法
3.1静力法
静力理论最初是意大利人提出的,但随着日本学者的不断探索,其发展较为成熟,在静力学理论的不断完善和优化上也有很大的贡献。日本学者于十八世纪后期提出了运用静力学原理进行地震设计的构想。其基本思想是假定建筑结构是刚性的,并将其与地表相结合,这样即使受到地震影响,其振动规律也不会有太大的差异。但是,从惯性规律和结构与结构的失效关系来看,该方法的使用不符合实际的动态响应。所以,采用静力方法进行桥梁减振具有一定的局限性。
3.2反应谱法
反应谱法是在静力力学基础上发展起来的,起初反应谱法还不为建筑界所了解,使用的范围很小,到了二十世纪中叶,反应谱方法在建筑领域得到了广泛的认可,并且得到了越来越多的应用。从理论上讲,反应谱方法是静力方法的升级版本,在地震作用下,将其作为静力点。吸收了静力学方法在工程实践中的实践,提出了以结构力学为核心的设计思路。因此,在运用该方法时,充分考虑了结构的基本周期、阻尼特性,并对其动态特性进行了分析,结果表明,该方法具有较高的合理性。不过,经过一段时间的使用,他们还是发现了一些问题。首先,在地震作用下,结构发生了塑性变形,反应谱方法的运用在抗震建筑中的作用不大,而在地震作用下,反应谱方法仅能检测和反馈结构的最大响应,而不能反映结构物在地震作用下的应力、变形程度与时间的关系。
3.3动态时程分析法
随着计算机技术的飞速发展,动态时程分析方法的运用也为动态时程分析方法带来了极大的提高,使得有关工作人员可以很容易地获得结构体在地震作用下的响应,并对其运动过程中的地震活动数据进行详细地记录。在此基础上,采用了动态时程分析方法,使其达到了理论和实际的有机统一,同时,地震学的研究也逐渐走上了正轨。运用此方法进行抗震设计,既要充分考虑结构特性等基本要素,又能运用有限元方法,通过对地震作用模式的分析,建立地震动平衡方程,通过数值求解,可以清晰地反映出各时间过程中的动态响应。通过对这一曲线的分析,我们可以了解到在地震作用下,结构从弹性到塑性的过程,以及在地震作用下,结构的破坏程度和内力的变化。
3.4随机振动法
随机振动法是二十世纪中叶在地震作用下的抗震计算中的另一项重大成果。现场地震的发生机制较为复杂,地震频谱特征的改变往往没有规律性,难以直接预报地震的强度。也就是说,在同一震区的不同地点,对加速度等进行的测量结果并不完全相同,而且仍无明显的变化规律。采用随机振型组合方法,减少了地震计算的困难。但是,与前三种方法相比,它更多地关注于结构的频谱特征,而不涉及结构的时间过程等量变因子。通常,采用随机振动方法进行抗震设计,可分为频率域和区域两种。两种方法没有太多的关联,各自具有不同的特征。与频域方法相比,采用时域法可以更准确地反映出动态响应的结果,但是这种方法不仅复杂,而且需要大量的资源,而且只能用于单个构件的结构分析和计算。在频率域中,主要研究地震动输入和结构的动态响应,以求出结构的动态响应特征。这种方法的复杂性很小,而最近几年,由于虚拟激励方法的不断发展,使得频率域的计算达到了一个新的高度。
4.桥梁减隔震技术的应用
4.1高阻尼支座
在桥梁中,支架是一种非常重要的构件,它是桥梁的地基,它的主要功能是将桥梁的上部和下部连接起来,同时还可以起到垂直载荷的作用。因此,在水平方向上,支撑的刚性较差,当发生地震时,它所引起的荷载效应将会对桥梁的振动周期产生直接的影响,使其振动增大,进而减小对结构的冲击。若要使隔震支座达到较好的减隔振效果,就必须选择高阻尼支承。在高阻尼支架中,使用最多的是铅芯橡胶支架,通过将铅芯压入橡胶支架,可以增强橡胶支架的减震性能。由于铅芯的机械和剪切刚度好,其屈服剪力也比较低,因此采用这种方法可以有效地减少地震对桥梁的破坏,从而达到更好的抗震效果。因为铅芯的刚度很高,不易变形,在地震中也能保持相对稳定,同时还可以调整结构的刚度,防止结构的变形,延长桥梁的使用寿命,防止结构的过度损坏。但是,由于铅芯的造价很高,现在的建筑公司已经很少采用这种类型的支架了。
4.2摆式滑动摩擦支座
在对桥梁结构进行详细设计时,应合理地应用摆式滑动摩擦支座,以提高其抗震安全性。它在实际使用时,能将钟摆与滑动摩擦轴承紧密结合,从而形成一种新型的减震设备,以减少地震的冲击。采用摆式滑动摩擦支撑,可以有效地降低桥梁结构的抗震性能。但在制造摆式滑动摩擦轴承时,必须对其进行详细的分析与考虑,以保证其合理的设计。
4.3分层橡胶支座
在桥墩、桥面上设置支座,目的在于增强桥面的稳定性和安全性,确保桥面在地震时不会受到损坏,减少地震能量对桥面的影响,因此,在抗震设计中应特别注意支座的设计,这是决定桥梁是否具有良好抗震性能的重要依据。在过去的桥梁结构设计中,采用层状橡胶垫圈是非常常见的,它是由橡胶板和薄板组成,然后在层叠之间形成圆筒状,而另一种则是矩形,利用橡胶和钢板的双重作用,达到了很好的减振效果。由于橡胶在分层时易产生变形,使其本身的阻尼系数较小,因而具有较好的隔振和减振效果。
4.4黏滞阻尼器
该装置是一种利用流体的黏性,以达到良好的阻尼作用,降低对建筑物的负面影响。黏滞减振器主要由活塞、导杆、汽缸组成,在地震作用下,活塞在汽缸内部的相对运动,黏稠的液体通过气缸的孔隙流动,在此过程中,会形成一个缓冲,使震动逐渐减弱。针对桥梁结构的特点,在实际工程中应用了黏滞减振装置,以防止在地震中产生较大的位移,以确保整体的稳定性,并能实现预期的抗震效果。
4.5选择性能良好的减隔震装置
在选用设备时,应选用合适的软性设备,以提高其使用寿命,并将其进一步分散,减少对地震的伤害。其次,采用耗能设备或减振设备来分散地震能,以保证结构支承面的科学性。最后,该设备必须具备更高的屈服性和刚性,以极大地避免该设备发生的振动或屈服。在此设备的设计中,应注重地震能量的分散和能源水平的提高,而结构本身的周期性需求则是次要的。尽量选择更方便、更具适应性的结构,以确保对减隔振的要求能够满足人们的要求。首先,如果一个地区的地震类型不同,那么相应的减震设备就必须要有一定的垂直承载能力,而减震设备必须要有足够的横向刚度,如果在大桥上遇到强风,就会产生很大的变形,严重地震动也会造成结构的损伤。另一方面,如果外部温度过高,可能会引起桥体上部的支撑变形,相关设备的抗压能力也会降低,因此,在使用间隔式结构时,要确保设备的稳定性和可靠性,如果发生大的地震,则必须确保桥梁的上半部分能恢复到原来的状态,从而达到最大的效果。
4.6合理选择材料
合理选用建材,科学地进行结构设计,首先要根据当地的具体情况,选用具有较高抗弯性和高承载能力的材料;第二,在设计时,可以选择具有高稳定性的三角形结构,取代传统的方形结构,从而保证建筑物的抗震性能;另外,在地震发生时,还应建立防震防线,对建筑物的内部结构进行有效的抗震防护,从而防止建筑桥梁的倒塌。
5.结束语
因此,在桥梁的建造初期,应从现场的实际情况出发,制订合理的抗震体系的建设方案,而采用减隔震技术的引进是十分必要和有效的,它不但可以解决当前的桥梁结构设计中的许多问题,而且可以通过运用减震技术来规范施工的程序和方法,使桥梁工程朝着更加标准化、安全的方向发展。
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