桥梁抗震设计方法分析王文涛

桥梁抗震设计方法分析王文涛

王文涛

北京市市政工程设计研究总院有限公司北京100088

摘要：地震灾害发生时会对道路桥梁造成较大的破坏，不利于震后灾后救援和重建。道路桥梁是灾民的绿色生命线。在道路桥梁的设计过程中应当积极做好抗震设计，尤其是在一些地震灾害多发区，更要对抗震设计加以重视。本文对桥梁在地震灾害中所容易遭受损坏的部位进行阐述，在此基础上对桥梁抗震设计中的要点进行分析介绍。

关键词：桥梁；抗震设计；方法

一、桥梁抗震设计的原则

1、需要选择合适的桥梁建设场地

桥梁建设选择合理的场地，有利于保证桥梁建设完成之后，不会受到地震太大的影响。因此在进行地址的选择时，不仅不能选择松软土地或不稳定的坡地，同时也不可以选择可能会导致桥梁受到其他环境因素影响的地区，以免桥梁出现垮塌现象。

2、对桥梁的整体性提高重视

桥梁的整体性至关重要，如果桥梁的整体性不好，不仅使结构的空间作用得不到较好的发挥，也会在地震时，容易使结构的构件以及非结构的构件被震落。因此在进行桥梁抗震设计时，需要提升桥梁的整体性，并且在桥梁的各个连接点设置减震措施。通过这种方式，不仅有利于促进桥梁质量的提升，同时还能保证桥梁拥有更高的稳定性。

二、桥梁震害的表现形式与原因

1、桥梁震害的表现形式

根据理论知识与以往我国相关的地震灾害实践可知，桥梁工程受到地震损害的表现形式主要包含4种类型：（1）下部结构震害，主要是指桥梁的桥台或桥墩在地震中受到损害，产生位置的偏离、倾斜、沉降与大量裂缝等问题。（2）支座震害。支座是桥梁工程抗震设计时容易被忽视的位置，因此，也是桥梁在地震灾害中易受损害的部位，若并未对桥梁支座设置专门的连接构造和支挡等措施，很大程度上就会导致支座的位置偏移与结构变形。（3）梁的震害。桥梁的主梁是其关键性的构成部分，一旦发生损伤就可能危及整个桥梁工程的安全。最严重的表现形式是主梁坠落。（4）地基与基础震害。地震中，桥梁地基与基础可能受到底层移动、不均匀下沉甚至是断裂等破坏，这一危害一旦产生就很难再回复重建，地基是整个桥梁工程的支撑构件，若受震严重则可能引发整个桥梁的断裂、坍塌。

2、桥梁震害的主要原因

引发桥梁震害的原因也有多个方面，主要包括：（1）桥台或桥墩发生重心偏移或裂缝、断裂现象，丧失了原有的支撑性和稳定性；（2）砂上液化和地基失效，地基是桥梁结构得以存在的基础，地基失效必然引起整个桥梁的松动甚至倒塌；（3）地震带来的连续作用力，使得桥台、桥墩以及支座等发生偏移，甚至相互碰撞，加重了桥梁的损害；（4）桥梁设计时存在结构不合理、不同部件之间缺乏有效的连接设施等问题，这均可在一定程度上影响其抗震性能。

三、桥梁抗震设计方法

1、静力法

静力法最早提出于日本，它主要是假设结构物和地震动能够有相同频率的震动。根据动力学的角度，将地震中的加速度看成地震破坏的单一因素，这种认知存在着局限性，它忽略了结构的动力特性的特点。结构的基本周期小于地面运动周期，且小很多的情况下,在地震中，结构物才可能在震动中不出现变形的情况，静力法才能够得以成立。如果范围超出，就不能够应用此方式。

2、反应谱法

反应谱的概念出现后,有人提出了反应谱理论的抗震计算的动力法。根据“地震荷载”概念来看,这种方式相比静力法有一定的进步。反应谱主要是在单自由度系统的基底上作用地面加速度,测量出的最大响应由动力输入和系统的自振周期和阻尼来决定。反应谱方法的概念很简单，存在着操作简单的优点，计算方便，能够通过最少的计算量，得到结构的最大反应值情况。可是，反应谱只是一定范围内的情况，如果出现在强烈的地震中，这种情况下的塑性工作阶段，不能够直接的进行使用，可以看出，反应谱方法只可以得到最大地震响应，对于结构在地震中的情况不能够反映出来。

3、动力时程法

动态时程分析法通过对于地震波的加速度时程进行输入,建立出相应的地震振动方程,之后对于方程进行求解,将地震中每一瞬间结构的位移、速度和加速度进行计算,就可以将地震过程中弹性和非弹性阶段的内力变化和构件逐步开裂、损坏直至倒塌的情况进行推测。动力时程法更加的精确，对于结构间的相互作用等能够图示与方程计算。而且,非线性性质地震反应分析越来越完善。

四、桥梁抗震设计方法的发展

早期的结构抗震理论采用的是静力法，忽略了结构和场地土的动力特性，是一种基于强度控制的一阶段抗震设计方法。后来的反应谱理论虽然引入了结构综合影响数Cz来考虑结构延性的影响，但从根本上仍然是以强度控制为主。一阶段抗震设计方法的根本缺陷是没有正确考虑结构延性对抗震的贡献，给人一种只要增加结构强度就能提高结构抗震能力的错觉。动力时程法使桥梁抗震由单纯由强度控制转为强度和延性共同控制，并且可以考虑非线性、结构－基础－土的共同作用等，为二阶段结构抗震方法的建立提供了基础。结构二阶段抗震设计的思想通过三水准二阶段的设计来具体实施。三水准是指:小震不坏、中震可修、大震不倒。二阶段设计是指:(1)在多遇地震作用下，结构物保持不坏，或允许轻度破坏，但经过简单维修后即可使用。此时结构处于弹性工作范围，或少量进入塑性状态，以强度控制作为破坏准则。(2)在罕遇地震作用下时，允许结构发生塑性破坏，但不能发生结构倒塌。此时结构处于塑性范围，以结构的延性作为破坏准则。

为了实现两阶段的抗震设计理念，人们提出了基于性能的抗震设计方法。基于性能的抗震设计方法可以通过控制结构的位移来实现，以位移为设计参数，针对不同地震设防水准，制定相应的目标位移，并且通过设计，使得结构在给定水准地震作用下达到预先指定的目标位移，从而实现对结构地震行为的控制。

五、桥梁减震设计要点

在桥梁减震设计中需要注意以下几方面的问题：（1）在设计中多采用连续桥跨设计而减少简支梁跨设计的使用，连续桥跨设计能够有效地减少伸缩缝的数量，进而降低落梁发生的概率。（2）对于采用橡胶支座而无规定支座的桥梁在桥梁减震设计中应当在桥梁支座设计中设计支座加强，采用防移角钢或者加设挡轨的方式来提高支座的抗震性。（3）在桥梁设计前需要积极做好项目地地质勘测，并结合勘测数据对桥梁地基选址和桥型等进行更好的设计，用以使得桥梁具有更好的抗震性。（4）桥梁施工会遭遇各种复杂的地质状况，尤其是一些位于常年有水河流上的特大桥、大中桥等的工程设计时，需要结合当地的地质、环境等的因素做好桥梁的设计，尤其是地基设计时由于地基区域可能分布于河床或是滩涂区域，在这些区域中遭遇液化土或软土的概率相当大，为确保桥梁基础的稳固，多采用桩基础形式，且将桩尖埋入稳定土层内一定深度。（5）在地震多发区域进行桥梁设计时，应当在设计中尽可能地增加桥梁设计的整体性和规划性，避免突变的出现；从几何线性上看，尽量选用直线桥梁。在高墩桥梁的抗震设计中对于桥梁的上部与下部要避免全部采用刚性连接，而是应当选用减震支座作为上下部的连接形式，要结合桥梁设计合理地选择梁墩的搭接长度。

结束语

桥梁抗震设计是一门实践性科学，在不断积累经验教训的过程中，桥梁设计和研究人员通过不斷努力，使桥梁抗震设计设计理论不断完善，未来设计出来的桥梁，能够更大程度地减小地震对于桥梁的影响，从而保障国家和人民的生命和财产安全。

参考文献

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[2].贡金鑫，张勤，王雪婷.从汶川地震桥梁震害看现行国内外桥梁的抗震设计方法（一）——抗震设防标准与地震计算[J].公路交通科技，2010，27（9）：44-54.

[3]彭天波，李建中，范立础.能力设计方法在双层高架桥梁抗震设计中的应用[J].世界桥梁，2009（1）：12-15.