橋梁抗震與抗風設(shè)計理念及設(shè)計方法

鐘立飛

揚州市城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限責任公司 225002

摘要：本文主要從國內(nèi)外有關(guān)橋梁抗風、抗震的現(xiàn)狀、設(shè)計理念進行研究。重視橋梁工程的管理，加強橋梁建設(shè)，尤其抗震、抗風等多個方面的研究。以科學、賦予實踐的角度重點分析橋梁抗震與抗風設(shè)計理念及方法。

關(guān)鍵詞：橋梁；設(shè)計理念；設(shè)計方法；安全與防范；抗風與抗震

隨著我國經(jīng)濟實力、科學技術(shù)迅速發(fā)展，人們對橋梁的抗震性、抗風災的要求越來越高。然而，風災與地震近幾年時有發(fā)生，對當?shù)鼐用竦纳鼧?gòu)成嚴重的威脅。需要相關(guān)設(shè)計研究人員加以重視，認真反思各種災害，積極歸納與思考，科學的、合理的對待，探索出科學、符合實際的設(shè)計方法。以下主要從國內(nèi)外有關(guān)橋梁抗風、抗震的現(xiàn)狀作為出發(fā)點，展開一系列討論。

一、國內(nèi)外有關(guān)橋梁抗風與抗震的現(xiàn)狀與研究

（一）分析國內(nèi)外有關(guān)橋梁抗風的現(xiàn)狀

目前，全球發(fā)生風災與地震的概率比往年增加了好幾倍，需要引起研究人員加以重視。從橋梁抗風現(xiàn)狀來看，眾所周知，風災在自然環(huán)境中頻繁發(fā)生，導致風對橋梁的損壞，原因有很多種，不僅僅是風災本身，也有橋梁自身設(shè)計的質(zhì)量因素等。一旦橋梁遭受損壞，必然對交通構(gòu)成嚴重的影響，甚至威脅人們的生命安全，乃至橋毀人亡的悲劇發(fā)生。自1940年，美國華盛頓州的某一座橋經(jīng)風速不到20m/s的強烈風致震動以致橋毀，才引起人們深入研究橋梁抗風工程。例如，日本學者Sakata發(fā)表“基于實測氣動導數(shù)分析橋梁斷面穩(wěn)定性的研究”、Sear發(fā)表有關(guān)“薄翼顫振及其豎向正弦脈動風中行為”、“機翼與橋面顫振導數(shù)”等相關(guān)論文，從風致振動展開一系列的研究。直到1970末，有關(guān)橋梁顫振理論的節(jié)段模型風洞試驗才得到驗證；

（二）分析國內(nèi)外有關(guān)橋梁抗震的現(xiàn)狀

從橋梁抗震現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)生多起大地震，例如我國的唐山、汶川大地震，美國的北嶺、圣費南多與洛馬地震等均對當?shù)氐貐^(qū)的房屋、橋梁、路面等造成極大的破壞，嚴重破壞了當?shù)氐慕煌ǎ^而研究人員應(yīng)該重視橋梁抗震設(shè)計。經(jīng)多方研究，有關(guān)抗震理論一般是針對中、小跨徑橋梁的試驗研究，中、小跨徑橋梁普遍較為剛性，經(jīng)外部地震沖擊下，容易對其結(jié)構(gòu)內(nèi)力具有較大的反應(yīng)。一般有兩種方法進行抗震，其一，利用選定部位的塑性變形進而逐漸消耗外部地震能量，最大程度降低其反應(yīng)力。其二，利用裝設(shè)減隔震裝置以消耗地震能量，降低其反應(yīng)力。國內(nèi)外對抗震延性設(shè)計，一般采用強度折減系數(shù)進行相關(guān)研究。同時，越來越多的學者提出了不同的設(shè)計思想，并漸漸認同未來的抗震設(shè)計應(yīng)該基于性能，例如“基于位移設(shè)計法”，將重點致于結(jié)構(gòu)位移方面。以早期“強度研究”漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶阅苎芯俊薄６槍Υ罂鐝綐蛄憾裕枰紤]其地震反應(yīng)特性與分析方法，然而有關(guān)多點激振、地震易損性、行波效應(yīng)等多個問題依然還有待解決。隨著橋梁的跨度漸漸增大，其結(jié)構(gòu)也逐漸變得更柔，位移也呈現(xiàn)逐年增大的趨勢，近幾年，針對大跨度位移，有關(guān)研究人員已考慮到利用減小位移裝置，可增設(shè)擋塊、減震支座等。如今，一般采用高阻尼的彈性限位裝置對縱飄位移加以限制。

二、國內(nèi)外橋梁抗風與抗震的設(shè)計理念與方法

（一）橋梁抗風、抗震的設(shè)計理念

為了確保橋梁能夠增強抗風與抗震的能力，確保其結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性，并應(yīng)有相應(yīng)的剛度、強度以及良好的穩(wěn)定性，需要遵守以下抗風與抗震的設(shè)計原則。

1、橋梁抗風設(shè)計理念的研究

而言，需①在設(shè)計風荷載和其他作用相互組合下，必須符合相關(guān)規(guī)定的強度以及剛度，不應(yīng)發(fā)生靜力失穩(wěn)現(xiàn)象；②使用期限內(nèi)，橋位所在的區(qū)域出現(xiàn)最大風速的情況下，橋梁結(jié)構(gòu)不應(yīng)該出現(xiàn)毀壞性，自激發(fā)散振動。

2、橋梁抗震設(shè)計理念的研究

為了保證橋梁工程的設(shè)計與整體施工的質(zhì)量的合理性，應(yīng)該依據(jù)附近環(huán)境因素以及橋梁工程的具體實際情況，綜合、全面的分析并加以優(yōu)化。①場地因素：場地的安全性是主要因素，在其基礎(chǔ)之上，最大程度避免發(fā)生地震時損壞地基，設(shè)計人員應(yīng)該考慮堅硬的場地，例如碎石類、基巖以及不穩(wěn)定斜坡等地段，均為危險率極高的場所，地基十分不穩(wěn)定，應(yīng)該重點研究科學的處理與加固方法。②規(guī)律與整體性：在設(shè)計橋梁的過程中，應(yīng)該重視橋梁的整體性，確保上部結(jié)構(gòu)是連續(xù)性的。因為，如果橋梁過于整體，則能夠很好的防治（非）結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以便處于地震的過程中，避免掉落，導致橋梁倒塌。此外，無論是在平立面，設(shè)計人員也應(yīng)重視橋梁結(jié)構(gòu)的布置必須幾何尺寸、剛度與質(zhì)量十分對稱以及均勻，以防變化。

（二）橋梁地震、風致震動的破壞性形式與設(shè)計方法

1、橋梁地震的破壞性形式與設(shè)計方法

近幾十年以來，依據(jù)過往地震的破壞情況來分析，排除斷層、液化等造成的巨大破壞以為，目前，混凝土橋梁比較常見的破壞形式有：其一，在水平地震荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的變形容易造成混凝土保護層的脫落；其二，由于鋼筋壓力與內(nèi)部混凝土壓強不足，以致橋梁結(jié)構(gòu)失去承載力，發(fā)生崩裂。因此，設(shè)計人員一方面，必須預計橋梁整體的抗震性、剛度與強度。依據(jù)相關(guān)問題進行全方面的防治，從而能夠有效解決并及時預防。場地應(yīng)該選擇穩(wěn)定性、天然地基十分可靠、地段土質(zhì)好的場地，避開地質(zhì)活躍層與地震帶；另一方面，設(shè)計橋梁應(yīng)該過于整體，避免混凝土保護層的脫落，整體性越強，無疑大幅度增加抗震屬性。必須確保結(jié)構(gòu)嚴密與整體。同時，設(shè)計階段必須驗算橋梁結(jié)構(gòu)在彈塑性范圍之內(nèi)的變形能力，防治發(fā)生地震時橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)致命性的破壞，發(fā)生坍塌，危及人們的生命安全。

2、橋梁風致震動的破壞形式與設(shè)計方法

據(jù)調(diào)查，風力因素造成橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生振動破壞，可分為馳振、顫振、拉索風振、抖振以及渦振。因此，設(shè)計人員必須重視橋梁的安全性、耐久性、實用性以及固有穩(wěn)定性。對主梁有影響的是顫振；對拉索有影響的是馳振；對橋塔有影響的是渦振；和疲勞（主梁舒適）可靠性相互關(guān)聯(lián)的風振形式對于主梁為抖振。因此，必須遵循相關(guān)抗風設(shè)計原則。具體而言，其一：如果設(shè)計者提升橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，無疑能夠很大程度增加固有頻率，繼而臨界風速能夠顯著提高并降低振幅。但是，如果針對大跨度（柔性）結(jié)構(gòu)而言，為了滿足橋梁整體的抗風要求，需要一定程度提升主梁的剛度。其二：橋梁結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量得到提高，能很好的降低風致振動的振幅，可也會降低固有頻率，最終影響橋梁整體結(jié)構(gòu)。

結(jié)束語

綜上所述，為了更好應(yīng)對橋梁收到地震、風災的損害，研究人員應(yīng)該依據(jù)不同的自然環(huán)境與地理位置，正確選擇合適的方法，以人們的生命安全為先，重視橋梁場地因素、規(guī)律與整體性因素、抗震性、剛度與強度等，提高整體質(zhì)量，合理的分析現(xiàn)狀，才能從容的應(yīng)對地震、風災，探索出科學的設(shè)計方法。與此同時，還應(yīng)不斷借鑒國內(nèi)外豐富的設(shè)計經(jīng)驗，認真思考橋梁的設(shè)計理念與方法，進行設(shè)計，還能為后來學者提供參考資料，完善設(shè)計，造福社會。

參考文獻：

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