橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法研究

劉楚，文琰

（九江市規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西九江332000）

1 引言

經(jīng)過(guò)多年的快速發(fā)展，我國(guó)公路網(wǎng)也逐漸成型，橋梁工程的建設(shè)規(guī)模逐年增加。橋梁結(jié)構(gòu)作為公路交通流通行的重要構(gòu)造物，其受力特性十分復(fù)雜。隨著全球地震活動(dòng)和極端氣候頻發(fā)，橋梁工程在運(yùn)營(yíng)期間可能受到地震波和風(fēng)荷載的雙重作用，如果橋梁抗風(fēng)抗震能力設(shè)計(jì)不足，可能發(fā)生失穩(wěn)、顫振等病害，影響行車安全和舒適度，嚴(yán)重的可能會(huì)出現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)倒塌事故，造成一定程度的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和工程人員針對(duì)橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)開展了許多研究，但目前沒有形成系統(tǒng)性的理論和規(guī)范來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，研究成果一般局限于某種特定的計(jì)算方法，也很少有人將橋梁結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比、分析[1]。因此，研究橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法十分重要。

2 地震和風(fēng)的特性分析

地震和風(fēng)都是影響橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的重要因素之一，尤其是大跨度橋梁。但是地震和風(fēng)由于本身特性的差異，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響并不完全相同，使得橋梁結(jié)構(gòu)的抗震和抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法也有一定的差異。

地震是因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)或構(gòu)造而出現(xiàn)，其強(qiáng)度可用震級(jí)和烈度來(lái)表示，前者表示地震本身的強(qiáng)度大小，后者表示地震對(duì)構(gòu)造物的破壞程度。風(fēng)是冷暖空氣相對(duì)于地面流動(dòng)的結(jié)果，其強(qiáng)度可用風(fēng)級(jí)、風(fēng)速、風(fēng)壓等指標(biāo)來(lái)衡量。

地震和風(fēng)特性的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2]。

1）重現(xiàn)期不同。一般情況下，地震（尤其是大震）發(fā)生次數(shù)少，重現(xiàn)期較長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間短，破壞力大。風(fēng)發(fā)生次數(shù)多，重現(xiàn)期較短，持續(xù)時(shí)間短，破壞力相對(duì)于地震小。

2）影響因素不同。地震受地球構(gòu)造、地質(zhì)情況影響大，風(fēng)受氣候環(huán)境、地形地貌影響大，但是局部區(qū)域也可能強(qiáng)震與強(qiáng)風(fēng)同時(shí)存在。

3）作用方式不同。地震屬于偶然作用，是以地震波的方式來(lái)傳播的。由于傳播介質(zhì)的復(fù)雜性，地震波在傳播期間容易出現(xiàn)反射、折射等現(xiàn)象，使得構(gòu)造物受地震的影響也復(fù)雜。風(fēng)是一種流體，不存在傳播介質(zhì)，在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的風(fēng)荷載和構(gòu)造物相互作用，出現(xiàn)自激振動(dòng)現(xiàn)象，地震和風(fēng)的作用方式如圖1所示。

圖1 地震和風(fēng)的作用方式

4）設(shè)防目標(biāo)不同。地震和風(fēng)的預(yù)測(cè)都是基于歷史資料，但是JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》提出了明確的橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)，但是風(fēng)力無(wú)論大小都要考慮其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，沒有明確的設(shè)防目標(biāo)。

5）破壞形式不同。地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞形式主要有彎曲破壞、剪切破壞、落梁破壞、支座損傷等。風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞主要有顫震、抖震、渦激共振、風(fēng)雨震等。

3 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

3.1 橋梁抗震設(shè)計(jì)理念

橋梁抗震結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，一方面要確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、延性等參數(shù)達(dá)到最佳，另一方面要抗震方案造價(jià)不能過(guò)高。這就要求設(shè)計(jì)人員在開展抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不能盲目地套用相關(guān)規(guī)范，而是要結(jié)合具體工程特點(diǎn)、自身工作經(jīng)驗(yàn)、科學(xué)的設(shè)計(jì)理念來(lái)選擇經(jīng)濟(jì)可行的抗震措施。

相關(guān)研究成果表明，橋梁結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量遵循以下基本設(shè)計(jì)理念[3]：

1）合理選擇工程場(chǎng)區(qū)。在選擇橋梁工程場(chǎng)區(qū)時(shí)盡量選擇不易出現(xiàn)地基失效的堅(jiān)硬場(chǎng)地，碎石類地基、不穩(wěn)定的坡地都是危險(xiǎn)地區(qū)。

2）確保抗震體系的完整性。橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量連續(xù)、完整，質(zhì)量和剛度均勻，這樣在地震波作用下橋梁構(gòu)件不容易震散掉落。

3）提高構(gòu)件強(qiáng)度和延性。橋梁結(jié)構(gòu)受地震破壞主要是因?yàn)榈卣鸩▊魅霕?gòu)件中，因此，在橋梁構(gòu)件質(zhì)量、剛度不變的情況下，增加其強(qiáng)度和延性是重要的抗震措施。

4）能力設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念強(qiáng)調(diào)橋梁各構(gòu)件應(yīng)有相等或相似的安全度（不存在明顯短板），但是各構(gòu)件重要程度是不相同的，等安全度設(shè)計(jì)理念對(duì)于橋梁抗震設(shè)計(jì)并不完全適用。橋梁抗震應(yīng)考慮安全度差異，確保橋梁構(gòu)件在地震波作用下不發(fā)生脆性破壞即可。

3.2 抗震設(shè)計(jì)方法的變化

3.2.1 靜力法

靜力理論發(fā)展較早，它是以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為破壞準(zhǔn)則，不考慮地面運(yùn)動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，而是將橋梁結(jié)構(gòu)受到地震波時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)視為地震慣性力，并將場(chǎng)地地基、結(jié)構(gòu)重要性程度等對(duì)結(jié)構(gòu)的影響簡(jiǎn)化為某一系數(shù)來(lái)考慮。當(dāng)結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)小于或等于抗力效應(yīng)時(shí)，認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)是安全的，能滿足抗震要求。

3.2.2 反應(yīng)譜法

反應(yīng)譜法又稱為動(dòng)靜法，是基于反應(yīng)譜理論來(lái)計(jì)算最大地震力，可以用來(lái)評(píng)價(jià)地面運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，但仍以強(qiáng)度破壞為準(zhǔn)則。

3.2.3 動(dòng)態(tài)時(shí)程法

隨著動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者開始關(guān)注地震振動(dòng)的結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—土的共同作用。在地震波作用下，橋梁構(gòu)件會(huì)發(fā)生各種彈性、彈塑性變形，基于此可建立地震作用下橋梁的動(dòng)態(tài)時(shí)程方程。動(dòng)態(tài)時(shí)程法不僅可以考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還考慮了結(jié)構(gòu)的延性，從而使橋梁結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

3.2.4 位移設(shè)計(jì)法

目前橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中是允許構(gòu)件在地震作用下出現(xiàn)微小的塑性屈服變形的，但是變形不得影響橋梁安全。這也說(shuō)明，強(qiáng)度并不是衡量橋梁結(jié)構(gòu)的單一指標(biāo)，故有學(xué)者提出了基于位移的設(shè)計(jì)理念，將橋梁結(jié)構(gòu)的變形或應(yīng)變當(dāng)作變量。

4 橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)

4.1 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念

橋梁結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要分析影響橋梁抗風(fēng)性能的主要因素：

1）風(fēng)參數(shù)。根據(jù)收集到的歷史資料，并結(jié)合橋梁所處的地形、風(fēng)向等選擇合理的風(fēng)特性參數(shù)用于橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

2）橋梁動(dòng)力特性。這是橋梁抗風(fēng)分析的前提條件，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確選擇力學(xué)模型和邊界條件。

3）顫振臨界風(fēng)速。顫振臨界風(fēng)速是橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顫振現(xiàn)象的起始風(fēng)速，當(dāng)外界風(fēng)速小于臨界風(fēng)速，振動(dòng)呈衰減趨勢(shì)，因此要確保顫振臨界風(fēng)速高于橋梁的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，以提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

4）抖震效應(yīng)。橋梁結(jié)構(gòu)抖振的最大振幅應(yīng)當(dāng)在允許范圍內(nèi)，從而防止結(jié)構(gòu)疲勞[4]。

如果橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案抗風(fēng)性能不滿足規(guī)范要求，應(yīng)及時(shí)修改結(jié)構(gòu)方案，并選擇相應(yīng)的措施來(lái)提高橋梁抗風(fēng)能力，減小橋梁在風(fēng)力作用下的顫震和抖震幅度。

4.2 橋梁風(fēng)振設(shè)計(jì)方法

4.2.1 橋梁抗風(fēng)的靜力計(jì)算

風(fēng)荷載出現(xiàn)是因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)改變了流場(chǎng)的分布特性，風(fēng)荷載對(duì)構(gòu)件的作用能夠分解成阻力FH、升力FV和升力矩MT,計(jì)算公式如式（1）～式（3）：

式中，U為平均風(fēng)速；CH為阻力系數(shù)；CV為升力系數(shù)；CM為扭矩系數(shù)；D為橋梁高度；B為橋梁寬度；ρ 為空氣密度。

將上述分力代入JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的橋梁傾覆失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速即可驗(yàn)算橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力。

4.2.2 橋梁風(fēng)振可靠性設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振可靠性指的是在風(fēng)荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)在特定時(shí)間和條件下，發(fā)揮其設(shè)計(jì)功能的概率，該方法屬于結(jié)構(gòu)動(dòng)力可靠性理論的一個(gè)分支。橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振可靠性系統(tǒng)主要包括風(fēng)荷載統(tǒng)計(jì)描述、系統(tǒng)特性概率描述、失效狀態(tài)物理描述3 個(gè)方面的內(nèi)容[5]，具體如表1所示。

表1 風(fēng)振可靠性系統(tǒng)

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)探討了地震和風(fēng)的特性，橋梁結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，主要得到以下幾方面結(jié)論：（1）地震和風(fēng)在重現(xiàn)期、作用方式、設(shè)防目標(biāo)、破壞形式等方面不同，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響也有一定的差異；（2）橋梁結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇工程場(chǎng)區(qū)、確保抗震體系的完整性、提高構(gòu)件強(qiáng)度和延性，并選擇安全度差異抗震設(shè)計(jì)理念；（3）橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法包括靜力法、反應(yīng)譜法、動(dòng)態(tài)時(shí)程法、位移設(shè)計(jì)法等；（4）影響橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的因素有風(fēng)參數(shù)、橋梁動(dòng)力特性、顫振臨界風(fēng)速、抖震效應(yīng)等，常用的設(shè)計(jì)方法有橋梁抗風(fēng)的靜力計(jì)算、橋梁風(fēng)振可靠性設(shè)計(jì)等。