淺談大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)抗震設計

趙慧芳

(河北省唐山市交通勘察設計院有限公司)

1 抗震設計原則

(1)橋梁抗震設計，應結(jié)合地形、地質(zhì)條件、工程規(guī)模及震害經(jīng)驗，選擇合理的橋型及墩臺、基礎型式;(2)利于抗震，同一座橋中，盡量避免高墩與大跨的結(jié)合，橋梁宜采用減少上部結(jié)構(gòu)自重并有利于抗震的結(jié)構(gòu)形式;(3)橋梁宜體形簡單、自重輕、剛度和質(zhì)量分布均勻、重心低、便于施工。在構(gòu)造上盡量避免截面突變及“頭重腳輕”的現(xiàn)象。大跨度鋼桁梁、空心橋墩是地震區(qū)橋梁設計的重點;(4)橋梁宜采用有利于提高結(jié)構(gòu)整體性的連接方式，墩臺結(jié)構(gòu)采取提高其延性、震動衰減快的相關措施，必要時設置減隔震支座，塑性鉸等防震裝置;(5)橋梁宜盡可能采用技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、便于修復加固的結(jié)構(gòu)體系;(6)在抗震、防震措施方面，應進一步開展減震、隔震支座的研究和應用;加強鋼筋混凝上橋墩的延性分析與計算，確定橋墩塑性鉸區(qū)域的范圍;(7)對于高墩、大跨的特殊橋梁，應進行專題抗震設計與研究。

2 抗震設計方法

2.1 基于強度的設計方法

基于強度的設計方法包括:靜力法、反應譜法、時程分析法。

靜力法始創(chuàng)于意大利，發(fā)展于日本。1900年大森房吉提出了地震烈度表的概念，靜力等效水平最大加速度αmax作為地震烈度的絕對指標，提出結(jié)構(gòu)物所受地震力F可寫為如下形式

式中:W為結(jié)構(gòu)物各部分重量;k為地面運動加速度峰值αmax與重力加速度g的比值，稱為地震系數(shù)。

靜力法假設結(jié)構(gòu)物各部分與地震動具有相同的振動規(guī)律。結(jié)構(gòu)因地震力引起的慣性力等于地面運動加速度與結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的乘積，以此慣性力作為靜力施加于結(jié)構(gòu)，進行結(jié)構(gòu)線彈性靜力分析。從動力學理論看，該法的缺陷在于，忽略了結(jié)構(gòu)物本身的動力特性。只有當結(jié)構(gòu)近似于剛體時，彈性靜力法才能近似成立。

反應譜法則考慮了結(jié)構(gòu)動力特性與地震動特性之間的動力關系，又保持了原有靜力理論的形式。將實測地震波代入單自由度動力反應方程，計算出各自最大彈性地震反應，從而得出結(jié)構(gòu)最大地震反應與結(jié)構(gòu)自振周期的關系曲線。由反應譜可計算最大地震作用，再按靜力法計算地震反應。反應譜分析雖然考慮了結(jié)構(gòu)的動力特性，但在分析中仍把地震慣性力看作靜力，因此只能稱為準動力分析。反應譜理論與結(jié)構(gòu)振型分解法結(jié)合，建立了振型分解反應譜法，從而解決了復雜多自由度體系地震反應分析的問題。利用振型正交性和振型分解原理進行解耦，使之轉(zhuǎn)化為求解獨立的相當于單自由度體系的運動方程。

建立在有限元等數(shù)值方法求解基礎上的非線性時程分析法，是目前評價橋梁地震行為中相對而言最成熟、最完善的方法。但是該方法在現(xiàn)有橋梁抗震性能評價的應用中還是存在著一些問題。非線性時程分析方法的技術(shù)復雜，計算工作量大，結(jié)果處理繁雜，并且結(jié)果的準確性很大程度上都依賴于輸人的地震波，然而在同一地區(qū)不可能發(fā)生完全相同的兩次地震。所以時程分析所選用的地震波實際上不能真正反映該地區(qū)未來可能發(fā)生的地震作用情況，分析結(jié)果具有較大的偶然性。而且采用數(shù)值計算復雜工程還與計算者的數(shù)值計算基礎，數(shù)據(jù)處理能力有很大的關系。

2.2 基于性能的設計方法

基于性能的設計方法主要包括推倒分析法、能力譜法、基于位移的設計方法以及基于地震損傷性能的設計方法等。

建立在對目標位移或形成機構(gòu)的思想上的塑性倒塌機構(gòu)(推倒)分析方法，體現(xiàn)的是基于結(jié)構(gòu)位移性能的抗震思想，其本質(zhì)上是一種與反應譜相結(jié)合的靜力彈塑性分析法，它是按一定的水平荷載加載方式，對結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增的水平荷載，逐步將結(jié)構(gòu)推至一個給定的目標位移來研究分析結(jié)構(gòu)的非線形性能，從而判斷結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的變形、受力是否滿足設計要求。其優(yōu)點突出體現(xiàn)在:與振型分解反應譜法相比較，它考慮了結(jié)構(gòu)的彈塑性特性;與時程分析法相比較，其輸人數(shù)據(jù)簡單，工作量較小。

3 橋梁抗震設計措施

(1)橋位應選擇在具有良好的地基和穩(wěn)定的河岸或坡谷地段，以保證橋梁有良好的抗震能力。橋孔布置宜選用等跨，橋臺宜采用T形或U形橋臺;(2)當橋位難以避免的處于液化土或軟土地基上時，橋梁中線應與河流正交。位于液化土或軟土地基上的特大橋、大中橋，應適當增加橋長，使橋臺位于穩(wěn)定的河岸上，避免地震時橋臺向河心滑移而造成震害;(3)位于常年有水河流上的特大橋、大中橋，當?shù)鼗鶠橐夯粱蜍浲習r，其墩臺基礎應采用樁基礎，且樁尖埋入穩(wěn)定土層內(nèi)一定深度;(4)墩臺基礎不應置于嚴重破碎帶上，特殊困難情況下應評價基礎的穩(wěn)定性;(5)墩臺頂帽上均應設置防比落梁措施;(6)位于地震后可能形成泥石流溝谷上的橋梁，孔跨和橋下凈高宜根據(jù)流域內(nèi)的地形地質(zhì)情況酌情加大;(7)位于地震區(qū)的拱橋盡量避免跨越斷層，特殊困難情況下應進行地震安全性評價;(8)高墩宜采用鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)，按照延性要求進行設計。在橋墩塑性鉸區(qū)域及緊接承臺下樁基的適當范圍內(nèi)應加強箍筋配置。

4 大跨度橋梁設計中應注意的幾個問題

(1)對采用樁基的大跨度梁橋，合理地選用樁-土結(jié)構(gòu)相互作用模型對動力計算結(jié)果至關重要;(2)對采用樁基的大跨度梁橋，在結(jié)構(gòu)初設階段，可以根據(jù)內(nèi)力反應包絡圖和結(jié)構(gòu)設計圖紙，判斷出預期會出現(xiàn)塑性鉸的部位;(3)大跨度拱橋結(jié)構(gòu)主拱的軸壓比一般都比較高，延性設計比較困難，所以大跨度拱橋抗震設計不宜過分依賴延性抗震;(4)大跨度拱橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較復雜，一般需要采用反映譜分析和時程分析兩種方法互相校核;(5)大跨度拱橋反映譜分析時，應至少考慮兩種地震動輸入方式。即縱橋向+豎向輸入和橫橋向+豎向輸入，其中豎向反映譜值取水平反映譜值的2/3;(6)大跨度拱橋時程分析時，地震波應至少考慮三種輸入方式。

[1] 楊文淵.橋梁施工工程師手冊.北京:人民交通出版社，1995.

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[3] 占海林，李捷.橋梁抗震設計計算方法簡介[J].甘肅科技，2005，21(8):145-146.

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