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

鐘立飛

揚(yáng)州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 225002

摘要：本文主要從國(guó)內(nèi)外有關(guān)橋梁抗風(fēng)、抗震的現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)理念進(jìn)行研究。重視橋梁工程的管理，加強(qiáng)橋梁建設(shè)，尤其抗震、抗風(fēng)等多個(gè)方面的研究。以科學(xué)、賦予實(shí)踐的角度重點(diǎn)分析橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念及方法。

關(guān)鍵詞：橋梁；設(shè)計(jì)理念；設(shè)計(jì)方法；安全與防范；抗風(fēng)與抗震

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，人們對(duì)橋梁的抗震性、抗風(fēng)災(zāi)的要求越來(lái)越高。然而，風(fēng)災(zāi)與地震近幾年時(shí)有發(fā)生，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳鼧?gòu)成嚴(yán)重的威脅。需要相關(guān)設(shè)計(jì)研究人員加以重視，認(rèn)真反思各種災(zāi)害，積極歸納與思考，科學(xué)的、合理的對(duì)待，探索出科學(xué)、符合實(shí)際的設(shè)計(jì)方法。以下主要從國(guó)內(nèi)外有關(guān)橋梁抗風(fēng)、抗震的現(xiàn)狀作為出發(fā)點(diǎn)，展開(kāi)一系列討論。

一、國(guó)內(nèi)外有關(guān)橋梁抗風(fēng)與抗震的現(xiàn)狀與研究

（一）分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)橋梁抗風(fēng)的現(xiàn)狀

目前，全球發(fā)生風(fēng)災(zāi)與地震的概率比往年增加了好幾倍，需要引起研究人員加以重視。從橋梁抗風(fēng)現(xiàn)狀來(lái)看，眾所周知，風(fēng)災(zāi)在自然環(huán)境中頻繁發(fā)生，導(dǎo)致風(fēng)對(duì)橋梁的損壞，原因有很多種，不僅僅是風(fēng)災(zāi)本身，也有橋梁自身設(shè)計(jì)的質(zhì)量因素等。一旦橋梁遭受損壞，必然對(duì)交通構(gòu)成嚴(yán)重的影響，甚至威脅人們的生命安全，乃至橋毀人亡的悲劇發(fā)生。自1940年，美國(guó)華盛頓州的某一座橋經(jīng)風(fēng)速不到20m/s的強(qiáng)烈風(fēng)致震動(dòng)以致橋毀，才引起人們深入研究橋梁抗風(fēng)工程。例如，日本學(xué)者Sakata發(fā)表“基于實(shí)測(cè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)分析橋梁斷面穩(wěn)定性的研究”、Sear發(fā)表有關(guān)“薄翼顫振及其豎向正弦脈動(dòng)風(fēng)中行為”、“機(jī)翼與橋面顫振導(dǎo)數(shù)”等相關(guān)論文，從風(fēng)致振動(dòng)展開(kāi)一系列的研究。直到1970末，有關(guān)橋梁顫振理論的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)才得到驗(yàn)證；

（二）分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)橋梁抗震的現(xiàn)狀

從橋梁抗震現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)生多起大地震，例如我國(guó)的唐山、汶川大地震，美國(guó)的北嶺、圣費(fèi)南多與洛馬地震等均對(duì)當(dāng)?shù)氐貐^(qū)的房屋、橋梁、路面等造成極大的破壞，嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐慕煌?，繼而研究人員應(yīng)該重視橋梁抗震設(shè)計(jì)。經(jīng)多方研究，有關(guān)抗震理論一般是針對(duì)中、小跨徑橋梁的試驗(yàn)研究，中、小跨徑橋梁普遍較為剛性，經(jīng)外部地震沖擊下，容易對(duì)其結(jié)構(gòu)內(nèi)力具有較大的反應(yīng)。一般有兩種方法進(jìn)行抗震，其一，利用選定部位的塑性變形進(jìn)而逐漸消耗外部地震能量，最大程度降低其反應(yīng)力。其二，利用裝設(shè)減隔震裝置以消耗地震能量，降低其反應(yīng)力。國(guó)內(nèi)外對(duì)抗震延性設(shè)計(jì)，一般采用強(qiáng)度折減系數(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。同時(shí)，越來(lái)越多的學(xué)者提出了不同的設(shè)計(jì)思想，并漸漸認(rèn)同未來(lái)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該基于性能，例如“基于位移設(shè)計(jì)法”，將重點(diǎn)致于結(jié)構(gòu)位移方面。以早期“強(qiáng)度研究”漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶阅苎芯俊?。而針?duì)大跨徑橋梁而言，需要考慮其地震反應(yīng)特性與分析方法，然而有關(guān)多點(diǎn)激振、地震易損性、行波效應(yīng)等多個(gè)問(wèn)題依然還有待解決。隨著橋梁的跨度漸漸增大，其結(jié)構(gòu)也逐漸變得更柔，位移也呈現(xiàn)逐年增大的趨勢(shì)，近幾年，針對(duì)大跨度位移，有關(guān)研究人員已考慮到利用減小位移裝置，可增設(shè)擋塊、減震支座等。如今，一般采用高阻尼的彈性限位裝置對(duì)縱飄位移加以限制。

二、國(guó)內(nèi)外橋梁抗風(fēng)與抗震的設(shè)計(jì)理念與方法

（一）橋梁抗風(fēng)、抗震的設(shè)計(jì)理念

為了確保橋梁能夠增強(qiáng)抗風(fēng)與抗震的能力，確保其結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性，并應(yīng)有相應(yīng)的剛度、強(qiáng)度以及良好的穩(wěn)定性，需要遵守以下抗風(fēng)與抗震的設(shè)計(jì)原則。

1、橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念的研究

而言，需①在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和其他作用相互組合下，必須符合相關(guān)規(guī)定的強(qiáng)度以及剛度，不應(yīng)發(fā)生靜力失穩(wěn)現(xiàn)象；②使用期限內(nèi)，橋位所在的區(qū)域出現(xiàn)最大風(fēng)速的情況下，橋梁結(jié)構(gòu)不應(yīng)該出現(xiàn)毀壞性，自激發(fā)散振動(dòng)。

2、橋梁抗震設(shè)計(jì)理念的研究

為了保證橋梁工程的設(shè)計(jì)與整體施工的質(zhì)量的合理性，應(yīng)該依據(jù)附近環(huán)境因素以及橋梁工程的具體實(shí)際情況，綜合、全面的分析并加以優(yōu)化。①場(chǎng)地因素：場(chǎng)地的安全性是主要因素，在其基礎(chǔ)之上，最大程度避免發(fā)生地震時(shí)損壞地基，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮堅(jiān)硬的場(chǎng)地，例如碎石類、基巖以及不穩(wěn)定斜坡等地段，均為危險(xiǎn)率極高的場(chǎng)所，地基十分不穩(wěn)定，應(yīng)該重點(diǎn)研究科學(xué)的處理與加固方法。②規(guī)律與整體性：在設(shè)計(jì)橋梁的過(guò)程中，應(yīng)該重視橋梁的整體性，確保上部結(jié)構(gòu)是連續(xù)性的。因?yàn)?，如果橋梁過(guò)于整體，則能夠很好的防治（非）結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以便處于地震的過(guò)程中，避免掉落，導(dǎo)致橋梁倒塌。此外，無(wú)論是在平立面，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)重視橋梁結(jié)構(gòu)的布置必須幾何尺寸、剛度與質(zhì)量十分對(duì)稱以及均勻，以防變化。

（二）橋梁地震、風(fēng)致震動(dòng)的破壞性形式與設(shè)計(jì)方法

1、橋梁地震的破壞性形式與設(shè)計(jì)方法

近幾十年以來(lái)，依據(jù)過(guò)往地震的破壞情況來(lái)分析，排除斷層、液化等造成的巨大破壞以為，目前，混凝土橋梁比較常見(jiàn)的破壞形式有：其一，在水平地震荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的變形容易造成混凝土保護(hù)層的脫落；其二，由于鋼筋壓力與內(nèi)部混凝土壓強(qiáng)不足，以致橋梁結(jié)構(gòu)失去承載力，發(fā)生崩裂。因此，設(shè)計(jì)人員一方面，必須預(yù)計(jì)橋梁整體的抗震性、剛度與強(qiáng)度。依據(jù)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行全方面的防治，從而能夠有效解決并及時(shí)預(yù)防。場(chǎng)地應(yīng)該選擇穩(wěn)定性、天然地基十分可靠、地段土質(zhì)好的場(chǎng)地，避開(kāi)地質(zhì)活躍層與地震帶；另一方面，設(shè)計(jì)橋梁應(yīng)該過(guò)于整體，避免混凝土保護(hù)層的脫落，整體性越強(qiáng)，無(wú)疑大幅度增加抗震屬性。必須確保結(jié)構(gòu)嚴(yán)密與整體。同時(shí)，設(shè)計(jì)階段必須驗(yàn)算橋梁結(jié)構(gòu)在彈塑性范圍之內(nèi)的變形能力，防治發(fā)生地震時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)致命性的破壞，發(fā)生坍塌，危及人們的生命安全。

2、橋梁風(fēng)致震動(dòng)的破壞形式與設(shè)計(jì)方法

據(jù)調(diào)查，風(fēng)力因素造成橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)破壞，可分為馳振、顫振、拉索風(fēng)振、抖振以及渦振。因此，設(shè)計(jì)人員必須重視橋梁的安全性、耐久性、實(shí)用性以及固有穩(wěn)定性。對(duì)主梁有影響的是顫振；對(duì)拉索有影響的是馳振；對(duì)橋塔有影響的是渦振；和疲勞（主梁舒適）可靠性相互關(guān)聯(lián)的風(fēng)振形式對(duì)于主梁為抖振。因此，必須遵循相關(guān)抗風(fēng)設(shè)計(jì)原則。具體而言，其一：如果設(shè)計(jì)者提升橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，無(wú)疑能夠很大程度增加固有頻率，繼而臨界風(fēng)速能夠顯著提高并降低振幅。但是，如果針對(duì)大跨度（柔性）結(jié)構(gòu)而言，為了滿足橋梁整體的抗風(fēng)要求，需要一定程度提升主梁的剛度。其二：橋梁結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量得到提高，能很好的降低風(fēng)致振動(dòng)的振幅，可也會(huì)降低固有頻率，最終影響橋梁整體結(jié)構(gòu)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為了更好應(yīng)對(duì)橋梁收到地震、風(fēng)災(zāi)的損害，研究人員應(yīng)該依據(jù)不同的自然環(huán)境與地理位置，正確選擇合適的方法，以人們的生命安全為先，重視橋梁場(chǎng)地因素、規(guī)律與整體性因素、抗震性、剛度與強(qiáng)度等，提高整體質(zhì)量，合理的分析現(xiàn)狀，才能從容的應(yīng)對(duì)地震、風(fēng)災(zāi)，探索出科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。與此同時(shí)，還應(yīng)不斷借鑒國(guó)內(nèi)外豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)真思考橋梁的設(shè)計(jì)理念與方法，進(jìn)行設(shè)計(jì)，還能為后來(lái)學(xué)者提供參考資料，完善設(shè)計(jì)，造福社會(huì)。

參考文獻(xiàn)：

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