根据震害经验,在抗震设计时,一般应考虑以下几点因素:
(1)桥渡位置应选在地基良好和稳定的河岸地段;若必须在软弱场地土的河段通过时,则采用桥渡与河流正交,并适当增加桥长,将桥台放在稳定的河岸上。
(2)桥梁墩台基础设置应避开断裂带,当断裂带很宽而不能采用大跨跨越时,应避开破碎带。当无法避开破碎带时,可采用小跨度简支梁桥通过,并加强防止落梁的构造措施。
(3)桥墩不宜设在主河槽与河滩分界的地形突变处,也不宜设在河岸斜坡处,否则应采取抗滑和加固措施,避免桥墩滑移或被剪断;在地基软弱、地震时地基易于液化失效的地方,桥墩基础宜采用深基础。另外,为防止土壤液化,还可采用挤密砂桩等加固措施。
(4)混凝土墩台应尽量减少施工缝;在墩身与承台和墩帽连接处采取局部加强的构造措施,以保证接缝处混凝土的整体性。
(5)在地震山区,宜以桥代替陡坡填方,避开不良地质区段。
2.桥梁抗震措施
在保证桥梁结构功能需求的前提下,为了防止或减轻震害所作的改善和处理都称为桥梁抗震措施。好的抗震措施一般采用较少的工程费用,就可取得一定的抗震效果。
桥梁抗震措施有很多,如限位挡块、梁台(或墩)连接、梁梁连接、梁墩(台)间设置阻尼装置等,或者是为了防止落梁而保证支座中心至下部结构边缘的最小距离等。图9.8给出了几种较为常见的桥梁抗震措施。图9.8(a)~(e)装置均以防止落梁为直接目的,其中图9.8(a)、(b)为限制支座变位或提供支座位移空间,图9.8(c)、(d)为加强结构各部位的整体连接,图9.8(e)为在梁端处设置缓冲防撞挡块。还可采用钢绞线、缆索、钢板等连梁装置,以及减震榫等限位装置。
图9.8 抗震装置分类示意(www.xing528.com)
3.桥梁抗震减灾控制
自20世纪60年代以来,利用结构振动控制理论来减小地震作用的工程抗震技术,已越来越多地用于新桥的抗震设计和既有桥梁的抗震改造和加固中。同传统抗震设计方法(强度、延性设计方法)不同,结构控制方法可通过减震、隔震装置来消耗地震能量,同时阻止振动在结构上的传播;或者,对结构施加外部能量以抵消或消耗地震作用。一般,前者称为结构被动控制(passive vibration control),应用较为广泛;后者称为结构主动控制(active vibration control),理论上更为有效。
被动控制以隔震耗能为目的。对普通梁式桥,一般采用各种特殊支座(如叠层橡胶支座,铅芯叠层橡胶支座,螺旋弹簧支座等)作为隔震器;对大跨度桥梁,往往设置各种阻尼器(如弹塑性阻尼器,黏性阻尼器,油压阻尼器等)以及调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,简称TMD)作为耗能装置,参见图9.8(f)示意。
铅芯橡胶支座是在普通板式叠层橡胶支座中部竖向灌入铅棒(屈服强度较低,抗疲劳性能较好)而形成,见图9.9。其主要是利用铅芯的弹塑性变形来取得耗能效果。由于铅芯橡胶支座构造简单,能够提供较大的阻尼性能,可以单独地在隔震体系中使用,所以该类支座已被广泛采用。
黏性阻尼器也是一种使用比较广泛的减震、隔震设备,见图9.10示意。它由不锈钢活塞、压缩黏性液体(有机硅树脂)、积液室等组成。在活塞上有小孔,使活塞两侧的液体压力保持平衡。在正常荷载作用下,黏性液体可通过小孔左右缓慢流动,以满足结构变位的要求;在地震荷载作用下,黏性液体流动不及,产生较大黏性阻尼,这样,就可消耗部分地震能量。
调谐质量阻尼器的减震机理是:在主振动系统(结构本身)上附加一个动力消振系统,通过调谐使两个系统产生强烈的耦合振动,从而把主振动系统的振动能量最大限度地转移到附加的消振系统上去,达到减低或消除主振动系统的振动的目的。在附加系统中,设置有阻尼装置,其可对转移来的振动能量加以耗散与控制。
图9.9 铅芯橡胶支座
图9.10 被动黏性阻尼器
对各种桥梁结构,除进行抗震分析计算外,必要时还可以进行模拟地震荷载作用下的结构足尺或缩尺试验。试验在地震模拟振动台上进行。振动台试验的基本原理是:将结构模型置于一个足够刚性的台面上,通过电液伺服作动器等动力加载设备,使台面再现地震波运动,并使结构模型随之产生类似地震作用下的振动。
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