橋梁工程抗震設計分析

吳志魁

摘? ? 要：現階段，橋梁抗震工程是交通當中的重要組成部分，因此對橋梁工程的抗震進行研究是十分必要的。抗震概念設計就是根據地震災害以及工程實踐當中的經驗而總結得出的設計原則，根據這些設計原則對橋梁結構的方案、材料等因素做出有針對性的設計，達到理想的抗震效果，利用最經濟的方法來達到最佳的抗震目的。

關鍵詞：橋梁工程;抗震設計

1? 地震破壞的主要類型

1.1? 彎曲破壞

結構在水平地震荷載作用下由于過大的變形導致混凝土保護層脫落、鋼筋壓屈和內部混凝土壓碎、崩裂，結構失去承載能力。整個過程表現為如下形式，當彎矩達到開裂強度時，截面出現水平彎曲裂縫;隨著裂縫的發展和荷載強度的提高，受拉側的縱筋達到屈服強度;隨著變形量的增大，混凝土保護層脫落、塑性鉸范圍擴大;鋼筋壓屈（或拉斷）和內部混凝土壓碎、崩裂。

1.2? 剪切破壞

在水平地震荷載作用下，當結構受到的剪切力超過截面剪切強度時發生剪切破壞，整個破壞過程表現為如下形式：截面彎矩達到開裂強度時，截面出現水平彎曲裂縫;隨著裂縫的發展和荷載強度的提高，柱內出現斜方向的剪切裂縫;局部剪切裂縫增大，箍筋屈服導致剪切裂縫進一步增長;發生脆性的剪切破壞。

1.3? 落梁破壞

當梁體的水平位移超過梁端支撐長度時發生落梁破壞。落梁破壞是由于梁與橋墩（臺）的相對位移過大，支座喪失約束能力后引起的一種破壞形式。

1.4? 支座損傷

上部結構的地震慣性力通過支座傳到下部結構，當傳遞荷載超過支座設計強度時支座發生損傷、破壞。支座損傷也是引起落梁破壞的主要原因。對于下部結構而言，支座損傷可以避免上部結構的地震荷載傳到橋墩，避免橋梁發生破壞。

2? 橋梁抗震設計方法

橋梁抗震設計是指根據地震災害和工程經驗等獲得的基本設計原則和設計思想，正確地解決結構總體方案、材料使用和細部構造，以達到合理抗震設計的目的。合理的抗震設計，可以使設計出來橋梁在強度、剛度和延性等指標上達到最佳的組合，使結構能夠以最低的成本來實現抗震的目標。

2.1? 體系的整體性和規則性

橋梁的整體結構要協調，上部結構應盡可能是連續的。較好的整體性結構可有效防止構件及非結構構件在地震時被震散掉落，同時它也是結構發揮空間作用的基本條件。不管是在平面還是在立體上，結構的設計都要力求使橋梁在質量、剛度、幾何尺寸等方面協調勻稱，避免突然變化。

2.2? 樁基礎和墩柱設計

單柱墩的頂部位置中存在一定的塑性鉸區域，在考慮了地震的影響之下就能夠計算出所需要的配筋。同時，還可以根據橋梁的順橋向以及橫橋向的極限彎曲值來進行計算，最為主要的是計算出材料的強度以及超強系數等。在對樁基礎結構形式進行設計的過程中，必須要考慮到很多外在因素的影響，而極限彎矩值是非常重要的一個因素，并且能夠確定配筋的數量以及布置形式，還能夠根據剪力分布情況得出墩柱的高度尺寸;軸力值的設計計算必須要結合橋梁寬度、跨數以及跨徑等進行分析，從而確定最為合理的橋梁結構形式。樁基礎的結構設計是以豎向承載力為主要考慮對象，否則將不能保證橋梁具備足夠的抗震性能。完成了計算之后，應該應用軸力值以及剪力值對橋梁的結構形式進行反復驗算，確保最終的橋梁結構強度滿足交通運行的需要。

2.3? 提高結構和構件的強度和延性

抗震設計要力圖使從地基傳入結構的振動能量為最小，并使結構具有適當的強度、剛度和延性，以防止不能容忍的破壞。在不增加重量，不改變剛度的前提下，提高總體強度和延性是兩個有效的抗震途徑。剛度的選擇有助于控制結構變形;強度與延性則是決定結構抗震能力的兩個重要參數。由于地震可造成結構和構件周期反復變形，使其剛度與強度逐漸退化，因此，只重視強度而忽視延性不是最佳的抗震設計。

2.4? 橋墩長度計算

當前公路橋梁多為多跨簡支梁以及連續梁結構，在計算橋墩承載力時，橋墩取極端長度為l0的值。在實際的多跨簡支橋梁以及連續橋梁的橋墩中，在水平力作用下墩頂常常會出現一定的水平位移，故橋墩計算長度系數β一般在1～2的范圍以內。經過分析發現，β常常受到諸多因素的影響，比如橋墩高度、剛性強度、支座的特性以及上下部構造對墩柱約束等。因此，工程項目中β的取值常常與規定值有較大的出入，這也會導致其橋梁承載力的計算比較保守。借助三維有限元軟件則能夠很好的模擬出橋梁結構空間受力基本特征，通過對實際施工過程及使用狀態進行相關模擬，得出與實際要求較為接近的橋梁結構空間受力情況。通過對橋梁結構施工過程以及具體使用情況進行相應模擬，使得橋梁結構計算上得到了一定優化，滿足相關的橋梁設計需求，同時橋梁的抗震能力得到顯著提升。下面主要介紹使用有限元軟件得出β值，進而提升橋梁長度l0的精度對于等直徑的橋墩，墩身的抗推剛度需要滿足要求：K=3EI/H3;而對于非等直徑的橋墩，其抗推剛度要求為：K=3EI/[（H3+H2+H1）3-（H2+H1）3];有限元軟件中構建的抗推剛度要求為：K=力/位移=F/δ（kN/m）。對于橋梁結構而言，上部結構在具體施工開始前，將單獨一個橋墩的抗推剛度標記為K墩;上部結構施工完成后，因為一聯橋梁的各個橋墩存在彈性連接，就等同于在橋墩的墩頂加上了彈性抗推剛度K彈，這便可以得出一聯橋梁中的抗推剛度為K合=K墩+K彈。如果忽略掉墩頂彈性約束，則有K合=K墩;但如果墩頂的彈性約束不可忽略，且彈性約束K彈為無窮大，則相當于墩頂鉸接。同時依照相關判斷，對墩頂的軸向受壓臨界值進行判斷便可以得出墩柱計算長度系數β。

3? 橋梁抗震設計的相關問題

3.1? 橋梁抗震概念設計

抗震概念設計是根據地震災害以及工程經驗獲得的設計思想，能夠有效的達到合理抗震的設計目的。合理抗震設計要求作品能夠達到強度、延性等指標的最佳組合，從而利用最為經濟的方法來達到抗震設防的目標。需要指出的是，我們雖然強調概念設計的重要性，但并不代表因此忽視了對于樹脂的計算，這是為了能夠創造更加有利的條件，從而保證計算分析的結果能夠完整反映出地震時結構的真實反應。

3.2? 地震響應分析及設計方法的改變

從地震的振幅等要素來看，在靜力理論當中只考慮了高頻振動的最大值;而在反應譜理論當中雖然考慮到了振幅以及頻譜等因素，但并沒有對持時進行明確反映;動力理論則在考慮到持時的基礎上，還考慮到了其余特性。從組成結構抗震設計理論的四個不同方面看來，靜力理論對其都做到了簡化，而動力理論則能夠更加全面地考慮到其他因素，此外其模型也更加接近實際，地震反應法考慮到了地震之后結構產生各種反應的過程，而設計原則在其他理論的基礎上考慮到了安全概率等其他方面。

4? 結語

綜上所述，加強橋梁抗震設計的研究能夠有效預防地震對橋梁帶來的破壞。在研究過程中，研究人員需要認真分析抗震破壞的主要形式以及設計原則，探討橋梁抗震設計的相關問題，更多的了解我國橋梁抗震設計規范的建設，從各方面來降低地震給橋梁帶來的損傷，嚴格控制工程質量，使運輸線路保持暢通，提高我國經濟的快速發展。

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