橋梁抗震設(shè)計理論分析

陳泉杜

摘 要：地震災(zāi)害造成的破壞是極大的，合理的抗震設(shè)計理論能保證橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠。本文以橋梁抗震設(shè)計為分析對象，介紹了常見橋梁震害，闡述了橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系、抗震分析方法，為橋梁抗震設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：橋梁抗震設(shè)計;抗震體系;抗震分析方法

文章編號：2095-4085（2020）04-0016-02

地震是一種突發(fā)性的自然災(zāi)害，我國大陸地震頻繁，具有強度大、分布廣特點。地震給人類帶來生命財產(chǎn)損失巨大，且?guī)斫?jīng)濟和社會問題。地震工程學(xué)者認識到地震災(zāi)害的嚴重性，只有合理的抗震設(shè)計以及運用抗震設(shè)計理論，才能保證橋梁結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時達到預(yù)期的抗震性能。

1 常見橋梁震害

經(jīng)過調(diào)研國內(nèi)外的地震災(zāi)害顯示，當震區(qū)橋梁破壞坍塌，不僅影響救災(zāi)通道，而且災(zāi)后需恢復(fù)重建。調(diào)研橋梁結(jié)構(gòu)常見震害和分析產(chǎn)生震害的原因，能指導(dǎo)建立正確的抗震設(shè)計方法和有效的抗震措施。因此，研究歷次破壞性地震中橋梁結(jié)構(gòu)幸存或者破壞的情況，能優(yōu)化橋梁設(shè)計和改進施工方法。常見橋梁震害如下。

（1）主梁震害 在早期的破壞性地震中，最嚴重的表現(xiàn)形式是落梁現(xiàn)象，順橋向落梁情況大于橫橋向落梁。主梁震害主要是自身震害、位移震害、碰撞震害等。

（2）支座震害 支座在抗震設(shè)計時容易忽視，如未設(shè)計合理的擋塊和連梁裝置，容易導(dǎo)致支座發(fā)生位移或者脫落，進而發(fā)生落梁等破壞形式。

（3）橋臺震害 橋臺產(chǎn)生位置偏移，樁基同時會偏移或產(chǎn)生裂縫，甚至斷裂。

（4）橋墩震害 橋墩在地震作用下受到較大的往返水平力，較為薄弱的截面經(jīng)過反復(fù)的振動發(fā)生破壞，破壞形式主要包括墩柱彎曲破壞、剪切破壞、墩柱承臺震害等。

（5）基礎(chǔ)震害 土體滑移和砂土液化等地基失效是擴大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)產(chǎn)生震害的主要原因，樁基礎(chǔ)會產(chǎn)生彎曲和剪切破壞，主要是上部結(jié)構(gòu)傳下來慣性力以及設(shè)計不合理導(dǎo)致。

2 橋梁抗震設(shè)計理論

我國橋梁抗震分析理論相比發(fā)達國家起步比較晚，最初開始于上世紀50年代?？偨Y(jié)歷年地震震害經(jīng)驗，我國廣泛吸取了日本、美國和新西蘭等國豐富的抗震經(jīng)驗和科技研究水平，提高了對地震動和結(jié)構(gòu)動力特性認識，改善地震響應(yīng)研究方法，形成一整套相對完整的抗震體系，設(shè)計理論水平得到提高。

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系

橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系是承擔(dān)水平和豎向地震作用，是各種橋梁結(jié)構(gòu)體系的總稱。工程設(shè)計師選擇正確的抗震體系是進行橋梁抗震設(shè)計的前提，橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系需有明確和可靠的位移約束、傳力途徑、能量耗散部位，能有效控制位移，防止落梁，具有避免因部分橋梁構(gòu)件破壞（如支座、擋塊）而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的能力。常規(guī)橋梁抗震體系如下。

2.1.1 延性抗震體系

橋梁結(jié)構(gòu)延性抗震體系目的是延長結(jié)構(gòu)周期、發(fā)揮耗散地震能量機制、減小橋梁地震響應(yīng)，前提要選擇合理的彈塑性耗能部位及變形構(gòu)件。常規(guī)橋梁的彈塑性耗能部位設(shè)定在橋墩上，能達到抗震體系目的，便于檢查和修復(fù)橋墩震害部位。常見連續(xù)梁、簡支梁橋單柱墩耗能部位是墩底，雙柱墩耗能部位是墩頂、墩底和系梁兩端。因此，橋梁墩柱、系梁應(yīng)作為延性構(gòu)件設(shè)計，其上部結(jié)構(gòu)、蓋粱、支座、基礎(chǔ)宜作為能力保護構(gòu)件，要求保持在彈性范圍內(nèi)，構(gòu)件不受損傷。一般情況下，延性抗震體系適用于高墩、墩柱長細比大的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

2.1.2 減隔震抗震體系

橋梁結(jié)構(gòu)減隔震抗震體系是通過設(shè)置減隔震支座或耗能設(shè)備來控制位移和耗能，保護主梁、墩柱及基礎(chǔ)等不受破壞，保持在彈性范圍內(nèi)。相比延性抗震體系，橋墩可以避免發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。通過設(shè)計合理的減隔震支座或耗能設(shè)備參數(shù)，保證橋梁上、下部連接部位可靠的傳遞作用力，避免橋梁發(fā)生嚴重破壞。對于矮墩、墩柱長細比小的橋梁結(jié)構(gòu)，建議采用減隔震抗震體系進行抗震設(shè)計。

2.2 橋梁抗震分析方法

隨著人們對地震動和結(jié)構(gòu)動力特性認識逐步加深，也逐步發(fā)展橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析方法。常見橋梁抗震分析方法如下。

2.2.1 靜力法

靜力法是假設(shè)結(jié)構(gòu)各個部位震動與地震發(fā)生時形成的振動一致，地震力作為靜力施加于橋梁上，進而進行線彈性靜力分析，降低問題的復(fù)雜。靜力法不考慮結(jié)構(gòu)動力特性，除非橋梁結(jié)構(gòu)能近似看作絕對剛體。因此，靜力法具有很大限制性，但概念簡單清晰，適用于重力式橋臺、擋土結(jié)構(gòu)等整體剛度較大的結(jié)構(gòu)抗震分析。

2.2.2 反應(yīng)譜法

反應(yīng)譜法將結(jié)構(gòu)的動力問題轉(zhuǎn)化成通俗易懂的靜力問題，計算簡單。反應(yīng)譜法是作為規(guī)范基本的抗震分析法，適用于彈性范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)抗震分析，存在不適用進入塑性階段的橋梁，且求得只是結(jié)構(gòu)最大地震響應(yīng)值，不能求出隨地震變化而變化的地震響應(yīng)值。因此，適用于中小跨度橋梁抗震分析。

2.2.3 動力時程分析法

動力時程分析法隨著計算機和動力試驗技術(shù)廣泛應(yīng)用和發(fā)展而應(yīng)運而生。通過建立多自由度多節(jié)點有限元動力分析模型，輸入地震動，分析結(jié)構(gòu)在地震作用下地震響應(yīng)和內(nèi)力隨時間變化。動力時程分析法能考慮結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和土之間的相互作用，精確分析發(fā)生強烈非線性反應(yīng)的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。但存在一些主要問題仍需進一步研究，如地震動的輸入;結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和土之間相互作用等，具有計算量大、塑性鉸等理論復(fù)雜等特點。因此，建議在相對比較重要、復(fù)雜、大跨度的橋梁抗震分析中使用。

3 橋梁抗震設(shè)計

地震災(zāi)害因是瞬間發(fā)生，表現(xiàn)出不確定性、復(fù)雜性。橋梁設(shè)計師進行抗震設(shè)計，應(yīng)熟悉橋梁抗震設(shè)計規(guī)范，綜合考慮橋梁抗震性能要求、功能需求、景觀要求、經(jīng)濟合理等方面，而后選定對橋型和施工工藝。其次，根據(jù)不同的橋梁結(jié)構(gòu)，選擇合適的橋梁抗震體系，并選取合理的抗震設(shè)計分析方法，對橋梁結(jié)構(gòu)薄弱的地方要進行優(yōu)化設(shè)計并采取合理的防震措施，如支座、橋墩構(gòu)造等，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下安全可靠?？傊槍蛄航Y(jié)構(gòu)的延性變形、整體穩(wěn)定性及強度等方面，橋梁設(shè)計師應(yīng)采取多級別的設(shè)防措施，保證橋梁不同部位在任何地震作用下能達到預(yù)期的設(shè)計目標。

4 結(jié) 論

從橋梁震害中總結(jié)經(jīng)驗，橋梁抗震設(shè)計理論逐漸走向成熟，本文對橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系和橋梁抗震設(shè)計方法的內(nèi)容和適用范圍進行簡要闡述，橋梁設(shè)計師應(yīng)結(jié)合實際地質(zhì)情況和抗震級別，綜合設(shè)計橋梁各個部位，做好結(jié)構(gòu)抗震措施并確保結(jié)構(gòu)安全可靠，為橋梁抗震設(shè)計提供一定的參考價值。

參考文獻：

[1]謝旭.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析與抗震設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]付偉.橋梁抗震設(shè)計要點分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2018，（19）：142-144.

[3]于繼克.橋梁抗震彈塑性分析方法對比研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2018.