淺析橋梁抗震設計

王建森

(山東科技大學 土木工程與建筑學院)

淺析橋梁抗震設計

王建森

(山東科技大學 土木工程與建筑學院)

橋梁作為重要的社會基礎設施，是生命線工程中的關鍵部分。因此，對橋梁震害加以正確分析，對橋梁采取合理、有效的抗震對策，保證橋梁在地震中的安全和正常使用，對城市和地區的抗震防災減災工作和地震災區的震后恢復重建工作都具有重要的意義。橋梁結構抗震設計應包括橋梁震害宏觀調查、橋梁結構抗震設計、抗震措施。為了保障公路橋梁設施的完好，就需要在橋梁設計中對橋梁抗震設計有充分的重視。

橋梁抗震；抗震設計；設計規范；抗震措施

1 橋梁震害類型及原因分析

國內外學者對橋梁震害的調查研究結果表明，現在橋梁的破壞大多沿順橋向和橫橋向發生，而順橋向震害尤其嚴重，分析其破壞類型和原因主要表現在以下幾個方面。

1.1 落梁或梁體相互磁撞

地震位移造成的梁式橋梁上部活動節點處因蓋梁寬度設置不足導致落梁或梁體相互磁撞引起的破壞。

1.2 地基土的地震液化

由于地基土（如飽和粉細紗和飽和粘沙土）的地震液化影響，同樣加大了地震位移的影響,進而放大了結構的振動反應，使落梁的可能性增大。

1.3 支座破壞

在地震力的作用下,由于支座設計沒有充分考慮抗震要求，構造上連接與支擋等構造措施不足，從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落及支座本身構造上的破壞等，并由此導致結構力的傳遞形式的變化，進而對結構的其他部位產生不利的影響。

1.4 軟弱的下部結構破壞

由于橋梁下部結構不足以抵抗其自身的慣性力和支座傳遞的主梁的地震力，導致結構下部的開裂、變形和失效，甚至傾覆，并由此引起全橋的嚴重破壞。

1.5 橋梁河岸滑移

在松軟地基上的橋梁，特別是特大橋、大中橋，地震時往往發生河岸滑移，使橋臺向河心移動，導致全橋長度的縮短，這類震害是比較嚴重的[1]。

1.6 其他原因

另外橋梁結構的震害還表現在如結構構造及連接不當造成的破壞、橋臺臺后填土位移過大造成橋臺沉降或斜度過大造成橋墩臺承受過大的扭矩而引起的破壞等多種原因。

2 橋梁抗震設計

2.1 地震區橋位和橋型選擇

橋位應選擇在對抗震有利的地段，盡可能避免選擇在軟弱粘性土層、可液化土層和地層嚴重不均勻的地段。型要選擇抗震性能好、整體性強的結構體系，如連續梁，無鉸拱等。

2.2 設計烈度

抗震設防烈度為6度及6度以上地區的橋梁，都必須進行抗震設計。

2.3 設計方法

對一般橋梁工程，則按規范所規定的簡化方法進行結構抗震設計。中國規范是采用反應譜理論來確保結構的抗震安全。對大跨度或特別重要的橋梁結構，應對結構進行地震動力分析。

從許多強震記錄的加速度反應譜中,可以歸納出以下幾個特點:1)地震反應譜是多峰點曲線,阻尼為零時,反應譜值最大,峰點突出,但較小的阻尼(ζ=0.02)就能使反應譜的峰點削平很多。2)加速度反應譜在短周期部分上跳動比較大,但周期稍長時,就顯出隨周期增大逐漸減小的趨勢。

根據上述特征,人們編制出了抗震設計用的加速度反應譜,即設計反應譜,并不斷完善,將其納入國家抗震設計《規范》。我國《規范》中稱為地震影響系數α曲線,其數值表達以重力加速度 g為單位的單質點體系最大絕對加速度值。具體設計使用時,可根據條件在曲線上查取與結構自振周期相應的α值。再由 F=α?W(W 為質點重量)即可給出單質點體系的等效地震作用力。其中,場地條件對αmax也有影響,因關系復雜且資料有限,目前還處在進一步研究中[2]。

在地震反應分析中的反應譜理論中，最基本的多自由度體系線性動力反應分析方法有:時域分析法、頻域分析法和振型疊加法。雖然反應譜能簡潔合理地解決了關于地震動強度問題，分析結構的動力響應，但由于反應譜的建立過程中采取了一系列基本假定，地震動本身的隨機性使得反應譜還存在一些局限性，具體表現：

（1）反應譜是彈性范圍內的概念，不能反映結構的非彈性性質；

（2）反應譜只反映了地震加速度中最強烈的部分，不能反映地震持時的影響；

（3）反應譜不能反映建筑物的質量和剛度沿高度不均勻分布時的情況；

（4）反應譜僅能分析單個阻尼的情況，不能反映多個阻尼的情況[3]。

3 橋梁抗震設計規范

當前主要地震國家橋梁抗震設計規范的基本思想和設計準則是：

設計地震作用基本分為兩個等級，都可歸納為功能設計地震和安全設計地震。

在功能設計地震作用下，橋梁結構只允許發生十分輕微的破壞，不影響正常的交通，不經修復也可以繼續使用；

在安全設計地震的作用下，允許橋梁結構發生較大的破壞，但不允許發生整體破壞，如倒塌、落梁，歐洲規范對此規定得最為清楚、具體。

各國橋梁抗震設計規范中雖然設定了兩個水準，但在具體的設計程序上絕大多數仍堅持以安全設計地震為準的單一水平設計手法，并認為第一設計水準的要求自動滿足。

近十幾年發生在世界各地的大地震給橋梁結構造成了重大破壞，同時也促進了橋梁抗震設計規范的修訂工作。

規范的修訂主要參考了近十幾年來的地震震害經驗，同時借鑒了結構抗震研究領域的最新研究成果。概況起來，新規范的發展動向有以下幾個方面：

（1）抗震設防標準。傳統的作法是，只針對單一的地震作用水平進行結構的抗震設計。現在的問題是針對每一個目標都結出相應的具體設計程序。這樣一來，就需要對目前實際上還是單一水準強度抗震設計原則進行修訂，采用多水準、多設防目標和多階段的抗震設計原則。

（2）延性和位移設計：傳統的橋梁抗震設計采用強度設計方法，即使考慮到延性和位移，也是通過強度指標間接地實現。

（3）減、隔震和耗能設計：橋梁結構減、隔震和耗能技術經過數十年的研究和開發后，已經逐漸進入實用階段。

4 抗震措施

為防止或減輕震害，提高結構抗震能力，對結構構造所作的改善和加強處理，這些措施可歸納為：

（1）對于高烈度地區抗震控制設計的橋梁，采用減隔震支座的可以很好地解決工程難題，達到橋梁結構的既定抗震設防目標[4]。

（2）構造方式來解決抗震問題一般比較經濟，我國主梁縱向連接方式普遍采用橋面連續，有效地增加了支座對主梁變形的約束，協調了主梁各跨的位移，值得推廣。

（3）對于兩岸條件良好，尤其是兩側邊坡存在潛在地質災害的情況，建議采用拱橋，增強橋梁抵御落石的能力[5]。

（4）拱橋抗震要注意主拱保持彈性，橫撐剛度不宜過大，應遵循“強拱弱撐”的原則。要注意選擇在地震條件下穩定的地基。

（5）橋臺的限位作用對于橋長200m以內的橋梁是有效的。對于流水量不大的橋梁，不要采用過長的引橋。

5 結論

（1）目前橋梁抗震設計中有許多問題不能定量描述，仍需根據震害、概念設計及定性研究的成果提出細部構造[6]。

（2）橋梁結構抗震設防標準及性能的定量研究。橋梁結構的抗震設防標準是我們仍在面臨的問題，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，對于每一級別結構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多標準、多設防的目標。

[1]劉恢先.唐山大地震震害[M].北京: 地震出版社,1986.

[2]沈聚敏,周錫元.抗震工程學[M].北京:建筑工業出版社,2001.

[3]胡聿賢.地震工程學[M].北京:地震出版社,1988.

[4]齊懷恩,王光遠.公路橋梁抗震設防標準的研究[J］．東北公路，1999

[5]陳樂生，莊衛林，超河清等,漢川地震公路震害調查(橋梁)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[6]莊衛林，陳樂生.次川地震公路震害分析(新梁與隧道)[M]，北京：人民交通出版社，2013.

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1007-6344（2017）02-0019-01