橋梁抗震設計原則與設計方法

王誠

摘要：橋梁工程作為交通運輸?shù)难屎砑~帶，在我國基礎建設中的作用巨大。然而我國是相對多震國家，橋梁的抗震設計尤顯重要。本文主要分析了地震對橋梁的破壞，橋梁抗震設計原則與設計方法。

關鍵詞：橋梁抗震；設計原則；設計方法

引言：進入21世紀以來，地震越來越頻繁地在世界各地發(fā)生，現(xiàn)代橋梁建筑的抗震性能的設計問題也逐漸成為廣大人民群眾所關注的熱點問題。由于橋梁建筑工程是交通網絡的關鍵要素，因此橋梁的抗震設計的重要性也是不言而喻的。如何提高橋梁的抗震性能成為了當代橋梁結構設計師的重要課題。

一、地震對橋梁的破壞

橋梁是交通生命線工程中的重要組成部分，一旦橋梁在地震的時候發(fā)生坍塌，就會中斷交通，影響人員疏離和物資運輸，將非常不利于地震的救援工作。地震對橋梁的破壞主要有以下幾種常見的形式：

1、支座損傷

地震會造成支座的荷載強度過大，超過其承載，從而出現(xiàn)損傷、破壞。由于支座的損傷地震的慣性力便不會傳到下部結構，就可以避免地震荷載傳到橋墩從而破壞橋梁，同時支座損傷也會造成橋梁落梁受到破壞。

2、剪切破壞

當?shù)卣鸢l(fā)生時，橋梁在地震水平倚戟的作用下，橋梁受到的剪切力超過了自身的剪切強度便會發(fā)生剪切破壞。剪切破壞主要有以下四個階段：第一，當橋梁截面的剪切彎矩超過自身的強度時，截面便會出現(xiàn)裂縫；第二，由于地震時荷載強度越來越高，橋梁柱內會逐漸出現(xiàn)斜方向的剪切裂縫；第三，隨著地震的繼續(xù)發(fā)生，箍筋會慢慢開始屈服便會導致剪切裂縫越來越大；最后橋梁便會因地震而發(fā)生脆性的剪切破壞。

3、彎曲破壞

在地震的荷載的作用下，橋梁結構發(fā)生變形，變形過大導致橋梁混凝土脫落、內部混凝土崩裂以及鋼筋屈服的現(xiàn)象的發(fā)生，從而導致橋梁結構喪失承載能力。彎曲破壞主要有四個階段：地震造成的水平彎矩超過橋梁自身的開裂強度，便會產生裂縫；然后隨著地震荷載強度的增加，裂縫慢慢增大；隨后橋梁的變形變得越來越厲害，從而導致橋梁塑性鉸范圍增大以及混凝土保護層的脫落；最后橋梁出現(xiàn)彎曲破壞。

二、橋梁抗震設計的基本原則

1、嚴格選擇橋梁建設地點，綜合評估建設地安全指數(shù)

一般橋梁建設第一步就是要選擇橋梁建設的地點，橋址的選擇主要有以下幾方面：

（1）要參照地震區(qū)劃圖，依據地震發(fā)生概率和震級來進行初步的判斷和分析，選擇一些不易發(fā)生地震或者在發(fā)生地震的時候不易受到影響的相對比較安全的區(qū)域；

（2）要結合區(qū)域地形地勢，選擇便于施工，并有利于人員以及財產在發(fā)生地震災害時疏散和轉移的區(qū)域；

（3）要充分考慮區(qū)域地質情況，盡量選擇持力層較好的區(qū)域，避免地震時土質松軟導致抗震失效。

2、注重橋梁整體性設計，嚴格執(zhí)行規(guī)范要求

一個良好的整體性橋梁設計可以增強橋梁的剛度，在地震發(fā)生時減少零碎的掉落。在進行橋梁設計的時候，不管是平面設計還是立面設計都要盡量遵守基本的科學規(guī)律，使用科學的幾何尺寸，橋梁的剛度和材料的使用都必須要符合規(guī)范要求，從而來避免突然發(fā)生一些嚴重的物理性或者化學性變化。在進行結構設計時，橋梁的上部結構盡可能地采用連續(xù)結構。

3、提高抗震結構和構件的性能

地震之所以會對橋梁造成破壞是因為：地震引起橋梁結構振動，因此，進行結構設計時，盡可能少的使地震產生振動能量傳到橋梁結構內部去，同時抗震結構及構建又具有較好的強度、剛度以及延性，便可以有效的防止結構受到的破壞。橋梁抗震結構的剛性可以有效的控制結構的變形，而延性以及強度則決定了抗震結構的抗震能力。由于地震的反復振動會導致結構和構建的變形，從而減弱結構的強度以及剛度，因此在進行抗震結構設計時還應該重視結構及構件的延性設計。

三、橋梁抗震設計方法

1、基于性能的抗震設計

這種設計方法是指在不同概率地震下，結構的性能能夠達到一組預定的目標，是抗震設計的總體思想。其目的是在強度較大地震后，能夠將人的傷亡情況和財產的損失控制在所預先設定的目標內，同時震后，結構的功能也依然可以繼續(xù)維持。其特點如下。

打破原來以宏觀定性的目標為主的局面，逐漸向量化的多重目標轉化。

抗震設計目標不再局限于保障人民生命財產安全，而是多目標、多層次的來進行抗震方面的設計，力求最大限度的做到不同風險水平的地震作用下滿足不同的性能目標，給人民的安全帶來更大的保障。

2、橋梁減、隔震設計

減、隔震技術是簡便、經濟、先進的工程抗震手段。減、隔震裝置是通過增大結構主要振型的周期使其落在地震能量較少的范圍內或增大結構的能量耗散能力來達到減小結構地震反應的目的。在進行抗震設計時，要根據結構特點和場地地震波的頻率特性，通過選用合適的減隔震裝置、相應參數(shù)以及設置方案，合理分配結構的受力和變形。一方面，應將重點放在提高吸收能量能力從而增大阻尼和分散地震力上，不可過分追求加長周期。另一方面，應選用作用機構簡單的減、隔震體系，并在其力學性能明確的范圍內使用。減、隔震設計的效果，需要進行非線性地震反應分析來驗證。

3、基于位移的設計方法

基本位移的設計方法雖然很早就被提了出來，但是直到現(xiàn)在才有所發(fā)展，成為可以應用于橋梁抗震上的設計方法。它是在結構強度不足的基礎上提出的，而導致強度不足的原因是：許多規(guī)范由于經濟等因素的制約，在設計地震作用時，允許結構物質發(fā)生可塑性屈服變形，這種情況下，只能改變結構性能的衡量指標，從而選擇比較合適的脆性結構或不允許發(fā)生非彈性影響的構件。這種設計方法將結構的變形和構件發(fā)生的變化設置為變量，最終的設計結果以構件的強度為參數(shù)。

4、多階段設計方法

為了最大限度上保證人民群眾的生命安全，降低震后的經濟損失，在設防水準方面，要不斷地進行革新。其中所要考慮到的因素有很多，比如說：地震的產生機理、地震的特殊性能還有在地震的強力作用下各類結構的動力特征、構件能力等。這都需要我們在研究中不斷總結教訓，積累經驗，改變原來的單一設防水準，轉為雙水準或三水準，原來的一階段設計轉為兩階段、三階段，甚至會轉變?yōu)楦嗟乃疁?，更多的階段。

5、橋梁延性抗震設計

目前延性抗震驗算所采用的破壞準則主要有：強度破壞準則、變形破壞準則、能量破壞準則、基于低周疲勞特征的破壞準則以及用最大變形和滯回耗能來表達的雙重指標破壞準則等。Housner在對懸臂式單質點系統(tǒng)的非線性地震反應進行分析后，將其破壞機理總結為：在形成完全的塑性反應之前，出現(xiàn)某種程度的塑性應變，由此而消耗的能量自然的構成結構等效粘滯阻尼的一部分；當完全進入塑性變形后，產生塑性漂移，并在單方向發(fā)展直到倒塌發(fā)生。他認為塑性反應階段，保證結構不破壞的條件是讓其保有足夠的耗能能力。

四、結束語

橋梁工程的抗震設計需要設計人員及其他工作人員的認真對待，它的設計體現(xiàn)在各個階段，是一項重要的系統(tǒng)工程。在橋梁的抗震性能設計的過程中，有許多需要注意的地方，只有不斷地進行探索和研究，不斷更新發(fā)展橋梁的抗震設計技術，橋梁才能有良好的抗震性能，在地震發(fā)生的時候，才能保證人們的生命和財產的安全。

參考文獻

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