工程結(jié)構(gòu)抗震論文報告

1、工程結(jié)構(gòu)抗震方法課程報告劉 興 順（昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650093）摘 要：路線是一種線狀工程構(gòu)造物,所經(jīng)過的自然地理環(huán)境復雜多變,經(jīng)常遭受自然災害的破壞。其中地震對公路工程具有極大的破壞作用,常常造成嚴重的交通中斷。國內(nèi)外的地震災害表明,交通網(wǎng)絡在整個社會生命線抗震防災系統(tǒng)中越來越重要。震區(qū)橋梁的損壞坍塌,不僅阻礙當時的救援工作,而且影響災后的救援工作。所以對橋梁抗震應給予充分的重視。關鍵字：邁達斯；簡支空心板橋；包絡圖；應力圖Course report of seismic method for engineering structuresLiu Xingshun(F

2、aculty of Architecture and Civil Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093)Abstract:The route is a kind of linear engineering structure, and the natural environment is complex and changeable, and it is often destroyed by natural disasters. Earthquakes have great

3、damage to highway engineering, often causing severe traffic disruption. The earthquake disaster at home and abroad shows that the transportation network is increasingly important in the earthquake disaster prevention system of the whole social lifeline. The earthquake damaged the bridge co

4、llapse, not only hinder the rescue work, and the impact of the disaster relief work. So the earthquake should give the full attention to the bridge.Key words: Midas; simply supported hollow slab; envelope; stress1 概述近幾年來，世界各地強震不斷，汶川等地震給人民的生命財產(chǎn)帶來巨大危害。地震使交通系統(tǒng)嚴重毀壞，地震造成的交通中斷直接影響著救災工作的進行，擴大了次生災害損失，使

5、生命財產(chǎn)遭受巨大損失。近 30 多年來，地震災害的沉痛教訓不斷地警示著世人，使人們對橋梁的抗震研究工作逐漸受到重視，橋梁抗震理論及技術(shù)水平日漸提高。簡要敘述了橋梁抗震研究中概念、分析方法、設計方法、抗震設計規(guī)范、減震加固技術(shù)的歷史概況和現(xiàn)狀，并展望了今后橋梁抗震研究的發(fā)展趨勢。2 橋梁抗震研究的重要轉(zhuǎn)折點盡管在 1926 年，就有了第一部涉及橋梁抗震設計條款的規(guī)范關于公路橋梁細則草案1，與建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究相比，橋梁抗震研究相對滯后，但是在近 30 多年來，每次慘痛的地震災害發(fā)生后，橋梁抗震理論和技術(shù)水平都會邁上一個新的臺階。 1981 年美國聯(lián)邦公路局出版了橋梁抗震設計指南，經(jīng)過不斷的應用與

6、修改，于 1992 年納入了美國公路橋梁標準規(guī)范，也就是常說的 AASHTO 規(guī)范。在 1971 年 San Fernando 地震后，提出了生命線工程的概念，延性抗震設計也開始被各國重視2。在 1996 年頒布的道路橋示方書·同解說耐震設計篇中3，重新確定了地震作用，明確了震度法、保有水平耐力法及動力反應法使用范圍，改善了橋墩變形能力的計算方法和地基液化的判別方法，增加了減隔震設計等內(nèi)容，這是自 1980 年頒布此部規(guī)范以來的第二次修訂，上一次修訂是 1990 年。在我國大地震中交通運輸嚴重受損，尤其唐山大地震。地震中橋梁破壞嚴重，去往唐山地區(qū)的交通癱瘓，使運輸物資、救援傷員遭受極

7、大阻力4。此后交通系統(tǒng)的抗震分析和研究得到了發(fā)展，可以說唐山地震是我國橋梁抗震設計的一個重要轉(zhuǎn)折點，從此，抗震研究及設計在橋梁建設中日益受到重視。1977 年我國頒布了公路工程抗震設計規(guī)范，此后又進行了修改，并于1989 年公布，這就是現(xiàn)行的公路工程抗震設計規(guī)范(JTJ 004-89)5。公路工程抗震設計規(guī)范(JTJ 004-89)已經(jīng)使用了近 20 年，目前交通部已經(jīng)要求有關單位進行修訂。1994 年國務院提出未來10 年的防震減災目標，1998 年我國第一部規(guī)范防災減災工作的重要法律中華人民共和國防震減災法頒布，它標志著我國防災減災工作已經(jīng)納入法制化管理軌道，進一步推動了我國地震工程的實際

8、應用和發(fā)展。3 橋梁地震反應分析的研究現(xiàn)狀3.1 地震動輸入地震發(fā)生的時間、空間和強度特征不僅隨時間變化，而且具有明顯的隨機性，合理的確定地震動輸入方式是對結(jié)構(gòu)進行地震反應分析的基本問題。在對橋梁進行地震反應分析時，對于地震動輸入方式存在著較大的誤差和不確定性，到目前為止，這個基本問題還未能得到很好解決。規(guī)范常用的地震動輸入的方式有地震加速度反應譜、地震動加速度時程，也就是說加速度是輸入的主要方式，這種加速度反應譜在描述地面運動長周期特征方面存在不足。我國現(xiàn)行公路工程抗震設計規(guī)范(JTJ004-89)5所采用的反應譜曲線是由動力放大系數(shù) 表示的，常稱為標準反應譜，它是在對 1050條國內(nèi)外地震

9、加速度記錄反應譜進行統(tǒng)計分析的基礎上，針對四類不同場地條件給出的，如圖 1所示。彈塑性位移譜的建立主要是基于等延性的強度折減系數(shù)譜通過彈性位移譜間接得到。地震動最不利輸入方向也是地震動輸入研究的一個內(nèi)容。美國 AASHTO 規(guī)范6中規(guī)定水平地震作用按兩個相互垂直方向分別輸入，兩個互相垂直的方向為縱橋向和橫橋向，如果是彎橋，將兩橋臺的連線作為縱向軸線，與其垂直的軸線為橫橋向，在分別計算兩方向的響應后進行組合，取最不利結(jié)果。歐洲的 EUROCODE87規(guī)范規(guī)定輸入水平和豎向三個方向的地震作用，結(jié)構(gòu)最大響應通過各個方向最大地震效應的平方和開平方后得到。日本道路橋示方書·同解說 V 耐震性能

10、篇3則規(guī)定一般考慮兩個正交水平地震作用；對于支承構(gòu)件，要求考慮豎向地震作用。我國公路工程抗震設計規(guī)范(JTJ 004-89)5規(guī)定計算地震荷載時，要求分別考慮順橋和橫橋兩個方向的水平地震荷載。從目前的研究成果來看，關于最不利輸入方向的標準存在三種觀點：一是以能量為標準；二是以屈服面函數(shù)為確定最不利輸入方向的標準8；三是采用位移延性和滯回能分析最不利地震動輸入9。3.2 地震反應分析方法地震作用理論研究地震時地面運動對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的動態(tài)效應，結(jié)構(gòu)的地震反應取決于地震動和結(jié)構(gòu)動力特性兩個方面，因此，地震反應分析方法的發(fā)展是隨著人們對這兩方面的認識逐漸深入而提高的。橋梁結(jié)構(gòu)地震分析方法也隨著地震災害的

11、不斷發(fā)生經(jīng)歷了從靜力法到動力法(包括反應譜方法和時程分析方法)的演變過程。目前世界各國的橋梁抗震設計規(guī)范中5采用確定性分析方法，主要有靜力法、反應譜法、時程分析法和非線性靜力分析法，其中前兩種方法是主要的分析方法，時程分析法是一種輔助校核方法，而非線性靜力分析法則用于確定橋梁結(jié)構(gòu)的破壞機制和抗震能力的評估。3.3 地基與結(jié)構(gòu)的相互作用土與結(jié)構(gòu)相互作用的研究以 1936 年基礎振動問題的 Reissner理論的提出為起點經(jīng)歷了基本理論準備階段、計算方法研究階段和深化階段，發(fā)展至今成為研究的活躍領域。土與結(jié)構(gòu)的相互作用可能放大結(jié)構(gòu)響應，產(chǎn)生不利影響，也可能降低結(jié)構(gòu)響應，這就使該問題的研究具有雙重意

12、義：一是，結(jié)構(gòu)在遭遇地震時的安全性；二是，結(jié)構(gòu)設計的經(jīng)濟性。研究內(nèi)容歸納為：自由場地的地震反應、基礎地震響應、土與結(jié)構(gòu)相互作用的計算模型及分析方法的研究。土體響應分析方法有一維分析方法、二維分析方法和三維分析方法，見表 1。采用子結(jié)構(gòu)法分析土-結(jié)構(gòu)動力相互作用，主要解決三個問題：源問題、阻抗函數(shù)問題和由模擬彈簧及阻尼器支承的結(jié)構(gòu)在給定基礎振動下的反應問題，其中第二個問題是子結(jié)構(gòu)法需要解決的關鍵問題。集中參數(shù)法是將半無限地基簡化為彈簧-阻尼-質(zhì)量系統(tǒng)，這種方法概念明確，方便工程應用，該方法常采用的計算模型有 SR 模型和并列質(zhì)點系模型(Penzien 模型10)。對于橋梁結(jié)構(gòu)，樁基礎是廣泛采用的

13、基礎形式，因此樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用成為土與結(jié)構(gòu)相互作用研究的復雜問題之一。模型假定樁側(cè)土是 Winkler 連續(xù)介質(zhì)，以彈性半空間的Mindlin 解答，或由公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范(JTJ 024-85)給出的 m 法確定土體動力相互作用的水平剛度系數(shù)，將樁-土體系的質(zhì)量按一定的厚度簡化并集中為一系列質(zhì)點，離散成理想化的參數(shù)系統(tǒng)，并用彈簧和阻尼器模擬土介質(zhì)的動力性質(zhì)，形成一個包括地下部分的多質(zhì)點體系。另外，土與結(jié)構(gòu)的相互作用改變了結(jié)構(gòu)的動力特性和地震響應，隨著結(jié)構(gòu)振動控制的發(fā)展與應用，為了能夠得到預期的減震效果，應考慮土與結(jié)構(gòu)的相互作用。雖然目前在土-結(jié)構(gòu)動力相互作用的理論和計算方法方面

14、都取得了較大的進展，在線性分析方面已經(jīng)具備了求解各類問題的能力，但是由于土-結(jié)構(gòu)動力相互作用問題的復雜性，各種假設、簡化造成由不同方法得到的結(jié)構(gòu)和地基反應有較大的差別，因此，目前土-結(jié)構(gòu)動力相互作用的發(fā)展水平與工程之間仍存在相當大的差距。3.4 橋梁結(jié)構(gòu)非線性問題非線性問題可以分為三類：幾何非線性問題、材料非線性問題以及狀態(tài)非線性問題。在橋梁抗震分析中涉及到的非線性主要有：幾何非線性(梁-柱效應、大變形效應和纜索垂度)；支座、伸縮縫、擋塊、減隔震裝置等邊界及連接單元的非線性；地基土體的非線性；強震作用下，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的非線性行為，如碰撞、損傷等。橋梁結(jié)構(gòu)的幾何非線性的研究已經(jīng)比較成熟，各種程序都

15、可以實現(xiàn)；邊界及連接單元的非線性模擬，需要通過大量的動力試驗獲得，尤其是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，新型支座和新型減隔震裝置層出不窮，試驗研究是驗證其功能性和安全性的必要手段。4 橋梁地震反應分析的研究現(xiàn)狀橋梁抗震的設計方法也從地震經(jīng)驗中得到了不斷的改進與發(fā)展，由起初的單一強度控制到強度、位移雙標準控制，到現(xiàn)在是多指標的結(jié)構(gòu)性能控制，歸納起來，橋梁的抗震設計方法主要有基于強度設計、基于位移設計、基于性能的抗震設計、基于能量設計以及能力抗震設計方法。從實際地震中觀察到的結(jié)構(gòu)反應性能表明，只要能夠維持結(jié)構(gòu)的初始強度，不出現(xiàn)由于非彈性變形的加劇而導致的強度驟降，結(jié)構(gòu)就能在地震中幸存，而且震后維修費用不會很高

16、。20 世紀60 年代，以 Newmark 為首的研究者們提出用“延性”這個簡單概念來概括結(jié)構(gòu)物超過彈性階段的抗震能力，延性大小是結(jié)構(gòu)物抗震能力強弱的重要標志。在 1971 年美國 San Fernando 地震中，許多按照新的抗震規(guī)范設計的建筑、橋梁結(jié)構(gòu)嚴重破壞，導致結(jié)構(gòu)倒塌的原因并不是強度不足，而是由于地震激起的反復的彈塑性變形循環(huán)，超出了結(jié)構(gòu)的滯回延性，此后，延性抗震才真正得到重視?；谖灰频脑O計方法在 20 世紀 50年代就有人提出，直到 20 世紀 90 年代初期，美國加州大學Berkley 分校 Moehle J P 提出了基于位移的抗震設計理論，他提出基于位移的抗震設計要求進行結(jié)

17、構(gòu)分析，使結(jié)構(gòu)的塑性變形能力滿足在預期地震作用下的變形要求，這一全新的概念最早應用于橋梁設計。這種方法被加州交通局 Caltrans 抗震設計準則12所采用。另一方面，這種抗震設計方法對于延性結(jié)構(gòu)或延性構(gòu)件是可取的，但是，對于由強度控制設計的脆性結(jié)構(gòu)或延性結(jié)構(gòu)中的脆性構(gòu)件，采用這種方法也是不適合的。出于經(jīng)濟方面的考慮，在確保生命安全的前提條件下，容許工程結(jié)構(gòu)在遇到破壞性地震時有一定程度的破壞。然而，近代的幾次地震災害中，人員傷亡減少了，經(jīng)濟損失卻非常大，于是各國地震工程研究者就對過去長期視為正確的設計思想進行反思，認為抗震設計除了應考慮人身安全外，還應控制結(jié)構(gòu)破壞所造成的巨大經(jīng)濟損失，基于性能

18、的抗震設計就是在這種背景下產(chǎn)生了。這是工程抗震發(fā)展史上的一個重要的里程碑，抗震設計的重點從“力”的設計轉(zhuǎn)換到結(jié)構(gòu)物整體抗震性能的設計。此外，一些學者還提出基于能量的設計方法，該方法是以輸入結(jié)構(gòu)的能量為設計依據(jù)，將結(jié)構(gòu)設計的能夠吸收從地面輸入的能量而不致破壞。有許多人對此進行了研究，但還沒有達到實用階段。5 結(jié)論通過對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震心得，感覺今后能在以下領域有新的突破：1) 構(gòu)造細節(jié)。目前橋梁抗震設計中有許多問題不能定量描述，仍需根據(jù)震害、概念設計及定性研究的成果提出細部構(gòu)造。美國、日本、歐洲橋梁抗震設計規(guī)范對結(jié)構(gòu)的細部構(gòu)造都比較重視，我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設計規(guī)范中關于細部構(gòu)造也比較詳細，工程師在設

19、計時比較容易操作。與之相比，我國橋梁抗震設計規(guī)范相關條款比較粗糙。2) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設防標準及性能的定量研究。橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設防標準是我們?nèi)栽诿媾R的問題，尤其是大跨度橋梁的設防標準目前沒有定論。許多專家、學者一直在提倡分級設防，對于每一級別結(jié)構(gòu)的性能要求也進行了定性描述，對于工程師來說這些定性的描述無法指導設計，只有將這些描述量化到強度、變形、延性等才能真正實現(xiàn)多標準、多設防的目標。3) 減隔震技術(shù)的研究與應用。美國、日本等抗震先進國家推薦使用新技術(shù)保障結(jié)構(gòu)地震安全，在存在問題的大橋上安裝阻尼器，如美國 Los Angeles 的 I-5 和 91 號高速公路連 接 橋 、 美 國 Saint

20、 Louis 的 Poplar 街 橋 和Abernethy 大橋、美國 San Francisco-Okaland 海灣大橋、英國 Millennium 橋等都安裝了粘滯阻尼器。耗能減震技術(shù)在我國橋梁上的應用實例較少，我國首座在減震加固補強中使用阻尼器的是江陰大橋，主要是以減少橋梁縱橋向地震反應為主，而且耗能減震裝置的設計、制作仍以國外技術(shù)為主導，直接影響著新技術(shù)在我國的發(fā)展與應用。在我國建筑抗震設計規(guī)范(GB50011-2001)17中增加了“隔震與消能減震設計”，給出了基本原則和方法，雖然條文敘述簡單，但是體現(xiàn)出振動控制已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)抗震設計中的一個重要部分。我國現(xiàn)行公路工程抗震設計規(guī)

21、范(JTJ 004-89)是 20 世紀 80 年代末制訂的，沒有振動控制的相關內(nèi)容，應盡快將其納入設計規(guī)范，以推動振動控制技術(shù)在橋梁減隔震技術(shù)的發(fā)展。另外，新材料的研發(fā)與應用也應作為這一時期的重要研究內(nèi)容。參 考 文 獻：1 范立礎. 橋梁抗震M. 上海: 同濟大學出版社, 1997.Fan Lichu. Seismic design for highway bridge M.Shanghai: Tongji University Press, 1997. (in Chinese)2 王克海, 李茜, 韋韓. 國內(nèi)外延性抗震設計的比較J. 地震工程與工程振動, 2006, 26(3): 70

22、73.Wang Kehai, Li Qian, Wei Han. Comparingspecifications on ductility design J. EarthquakeEngineering and Engineering Vibration, 2006, 26(3):7073. (in Chinese)3 日本道路協(xié)會. 道路橋示方書·同解說 V 耐震性能篇S. 1996.Japan road association. Design specifications of highwaybridges part V seismic design S. 1996. (in C

23、hinese)4 劉恢先. 唐山大地震震害M. 北京: 地震出版社, 1986.Liu Huixian. Tangshan earthquake damage M. Beijing:Earthquake Press, 1986. (in Chinese)5 中華人民共和國交通部. 公路工程抗震設計規(guī)范(JTJ004-89)S. 北京: 人民交通出版社, 1989.The ministry of communications of China. Specificationsof earthquake resistant design for highway engineeringS. Beijing: China Communications Press, 1989. (inChinese)6 AASHTO. Standard specifications fo