橋梁震害分析與抗震設計新方法研究

邢 揚 張國江

(中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066205)

P=KHW=AmaxW/g

F=KβW

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橋梁震害分析與抗震設計新方法研究

邢 揚 張國江

(中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066205)

對橋梁的震害機理和破壞形式進行了系統分析，闡述了橋梁抗震設計的研究現狀及抗震設計新方法的研究進展，并通過一實例對新舊抗震設計方法進行了對比，指出抗震設計新方法的運用可有效提高橋梁的抗震性能。

橋梁，震害，抗震設計，新方法

地震因其具有突發性強、破壞性大、防御難度大等特點而被列為世界自然災害之首。世界上主要有三大地震帶：環太平洋地震帶、歐亞地震帶和海嶺地震帶。我國位于環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，是世界上多地震國家之一。

作為陸地交通咽喉的橋梁，在整個交通系統中起著關鍵作用。然而，當地震發生時，橋梁極易發生破壞，且難以修復，從而給后續的抗震救災工作造成極大的困難，使次生災害加重。2008年汶川特大地震中，各類交通基礎設施損毀的直接經濟損失高達670億元。上述地震災害的慘痛教訓，使得國內外研究人員和工程設計人員對橋梁抗震方面的研究極為重視。

為了有效減輕地震對橋梁造成的損傷、提高橋梁的抗震能力，作者對橋梁震害及抗震設計方法進行系統分析與論述。首先，對橋梁的震害機理和破壞形式進行系統分析；然后，闡述橋梁抗震設計的研究現狀及一些新方法的研究進展；最后，通過一實例對新舊抗震設計方法進行對比，來說明抗震設計的新方法在提高橋梁抗震性能方面的優越性。

1 橋梁震害機理及破壞形式

1.1 橋梁震害機理

已有研究成果表明[7-]9〗，引發橋梁震害的原因主要有四類，如圖1所示。

1.2 橋梁震害破壞形式

按照橋梁震害所發生的位置，可將橋梁震害的破壞形式分為兩類[10-14]：

1)上部結構破壞。主要形式為梁體偏移及落梁、支座破壞、伸縮縫和擋塊破壞等(見圖2，圖3)。

2)下部結構破壞。主要形式為墩臺破壞、軟弱地基失效造成的破壞等(見圖4，圖5)。

2 橋梁抗震設計研究現狀

2.1 基于強度的設計方法[16]

基于強度的設計方法主要有靜力法、反應譜法和時程分析法[17]。

1)靜力法。

靜力法表達式為：

P=KHW=AmaxW/g

(1)

其中，W為結構重力，N；KH為水平地震系數，KH=Amax/g；Amax為地震動的最大水平加速度，m/s2；g為重力加速度，m/s2。

2)反應譜法。

其表達式為：

F=KβW

(2)

式中：F——作用在單自由度彈性體系結構的地震荷載或底部剪力，N；

W——結構重力，N；

K——地震系數,K=Xmax/g；

Xmax——地震動的最大加速度，m/s2；

g——重力加速度，m/s2；

β——動力放大系數，且是結構自振周期T和臨界阻尼比ξ的函數。

3)時程分析法[16]。

該方法主要是建立地震振動方程，然后對振動方程進行求解，得到地震過程中橋梁每一瞬時的速度、加速度、位移等指標，最后通過分析這些指標來得到橋梁的內力變化情況和損傷甚至倒塌的全過程。但由于任何地區都不可能發生兩次完全相同的地震，所以時程分析法中所輸入的地震波不能準確反映出該地區未來可能發生的地震情況，所得結果具有極大的偶然性。

2.2 基于性能的設計方法

基于性能的設計方法主要有推倒分析法、能力譜法、基于位移的設計方法和基于地震損傷性能的設計方法等[17]。

推倒分析方法是一種與反應譜法相結合的靜力彈塑性分析方法。它首先對結構施加單調遞增的水平荷載，然后通過分析結構的非線性性能，從而判斷出結構或構件的變形、受力情況是否滿足抗震設計要求。

3 橋梁抗震設計新方法

3.1Caltrans新抗震設計方法[18]〗

首先，Caltrans將普通橋梁分為標準橋梁和非標準橋梁，且二者之間沒有沖突。其次，該方法不建議將非彈性裝置全部設置到混凝土構件上，而建議多設置在橋墩、耳墻、背墻、側墻等部位。最后，由于Caltrans抗震設計方法主要基于橋梁位移，因此Caltrans認為，與結構外形和塑性鉸轉動能力有關的有效位移能力能夠用非彈性靜力分析方法來確定。

3.2ATC-18聯邦公路總署推薦標準[19]〗

在ATC-18聯邦公路總署推薦標準中，地震被分為兩種情況來研究：當地震級別較低時，橋梁只允許發生輕微損傷；當地震級別較高時，橋梁允許發生損傷，但不能發生倒塌現象。該方法既承認現行的AASHTO抗震性能分類，又要求設計者要基于位移進行橋梁抗震設計，并通過適當的非線性反應譜來得到強度和剛度。

4 橋梁抗震設計新方法的應用

1995年1月17日清晨5：45，日本兵庫縣神戶市西南部發生里氏7.3級強烈地震。阪神公路3號線內按老式橋梁抗震方法設計的橋梁和5號線內按新式抗震方法設計的橋梁形成了鮮明對比，地震發生后3號線內的橋梁幾乎全部倒塌，而類似情況并未在5號線內的橋梁上發生。這充分說明這些抗震設計新方法的應用大大提高了橋梁的抗震性能。

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Bridgeseismicdamageanalysisandnewseismicdesignmethods

XingYangZhangGuojiang

(China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co., Ltd, Qinhuangdao 066205, China)

Theseismicdamagemechanismanddestroyformsareanalyzedinthispaperandthestudystatusandsomenewmethodsofbridgeseismicdesignareexpounded.Intheend,bycomparingwiththeoldseismicdesignmethods,pointsouttheadopionofnewmethodsforanti-seismicdesigncanpromotebridges’anti-seismicperformanceeffectivelyaccordingtoexamples.

bridge,seismicdisaster,seismicdesign,newmethod

1009-6825(2015)01-0159-02

2014-10-21

邢 揚(1987- )，男，碩士，助理工程師； 張國江(1988- )，男，助理工程師

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