橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與設(shè)防方法分析

黃柯嫻

（江西省公路科研設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330008）

0 引言

在當(dāng)前的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有很多問(wèn)題都會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性帶來(lái)不利的影響，所以在具體的工作中，要積極學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)與工藝，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，考慮橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，選擇最佳的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而使橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能和參數(shù)符合實(shí)際應(yīng)用的需要。在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該對(duì)抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)有足夠的了解，選擇合適的設(shè)防措施，從而提升設(shè)計(jì)的總體水平，對(duì)橋梁工程總體運(yùn)行效果產(chǎn)生積極的意義。

1 橋梁抗震結(jié)構(gòu)概述

橋梁是現(xiàn)代社會(huì)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)系到人民群眾生命健康以及社會(huì)發(fā)展，所以只有全面提升抗震系數(shù)，才能保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)科學(xué)技術(shù)，選擇正確的設(shè)計(jì)理念，從整體角度出發(fā)確定合適的設(shè)計(jì)方案，做好細(xì)節(jié)方面的控制，提升抗震設(shè)計(jì)水平，滿(mǎn)足公路橋梁的使用需要。而在設(shè)計(jì)中，還要將強(qiáng)度與剛度實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，切實(shí)提升橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力與水平[1]。

2 橋梁抗震的設(shè)計(jì)要求

2.1 遵循科學(xué)技術(shù)方案，提高設(shè)計(jì)合理性

不管工程量大小，在方案設(shè)計(jì)時(shí)都要遵循科學(xué)、合理性原則，符合項(xiàng)目規(guī)定條件基礎(chǔ)之下，通過(guò)使用專(zhuān)業(yè)性的知識(shí)、工程手段、成本預(yù)算等方式，滿(mǎn)足橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且組合規(guī)范設(shè)置，達(dá)到安全、穩(wěn)固的效果，分析了解地震作用力的影響，分析計(jì)算確定橋梁抗震能力參數(shù)，以得出最佳抗震參數(shù)與效果，為橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)和依據(jù)，為項(xiàng)目施工效果的提升奠定基礎(chǔ)[2]。

2.2 具備整體協(xié)調(diào)與統(tǒng)一性

對(duì)于橋梁抗震設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，首先要明確的目標(biāo)就是統(tǒng)一性與協(xié)調(diào)性，在該基礎(chǔ)之下進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高橋梁的穩(wěn)定性與承載能力，并通過(guò)有限元分析模型，對(duì)于參數(shù)不一致或者偏差較大的問(wèn)題，選擇合適的處理措施，縮小設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)的偏差，最大限度內(nèi)實(shí)現(xiàn)參數(shù)統(tǒng)一，從而保證橋梁位移與下沉參數(shù)都符合要求，滿(mǎn)足橋梁安全性標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 設(shè)計(jì)要兼具簡(jiǎn)單原則

遵循簡(jiǎn)單性的設(shè)計(jì)原則，盡可能地縮短項(xiàng)目的工期、降低預(yù)算。通過(guò)使用最直接、有效的方法提高橋梁的抗震性能，分析受力結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)計(jì)算數(shù)據(jù)，確保處于設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍內(nèi)，為后續(xù)工作的順利開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，還要提高穩(wěn)固性、受力安全性，簡(jiǎn)化各個(gè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力條件，對(duì)抗震水平的提高產(chǎn)生重要意義。

2.4 延展性問(wèn)題

橋梁抗震設(shè)計(jì)是工作開(kāi)展的重點(diǎn)。橋梁結(jié)構(gòu)延展方向具備開(kāi)放性，達(dá)到抗震等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求，才能減少位移、塌陷問(wèn)題的發(fā)生[3]。

2.5 受力的計(jì)算

因?yàn)槌休d力與均衡性是隨時(shí)變化的，所以橋梁的整體結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。在受到強(qiáng)烈地震的條件下，應(yīng)針對(duì)不同結(jié)構(gòu)展開(kāi)受力計(jì)算，促進(jìn)橋梁抗震性的提升。

3 抗震設(shè)計(jì)的方法

3.1 靜力法

在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，提高抗震系數(shù)是關(guān)鍵，這是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)，所以在具體的工作中，要選擇正確的抗震方法，才能提升抗震效果和質(zhì)量。從目前的實(shí)際工作情況出發(fā)，應(yīng)用靜力法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。假設(shè)各個(gè)物體與各個(gè)部分之間產(chǎn)生的是相同的振動(dòng)，只局限在地面運(yùn)動(dòng)或者物質(zhì)質(zhì)量形成的慣性力，這樣在設(shè)計(jì)時(shí)極易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)特征被忽略，沒(méi)有考慮到動(dòng)力性，所以要利用地震慣性力分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力。就動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，地震加速度是造成結(jié)構(gòu)破壞的單獨(dú)因素，有著一定的局限性，所以還必須考慮到結(jié)構(gòu)特征，了解結(jié)構(gòu)物的特性。周期小于地面卓越周期時(shí)，即使發(fā)生地震，也能保持結(jié)構(gòu)的完整性。在具體的工作環(huán)節(jié)，對(duì)于靜力法有足夠的了解，并且進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算，才能提升抗震設(shè)計(jì)水平，滿(mǎn)足抗震性能標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 反應(yīng)譜法

把反應(yīng)譜法應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，具體是從地震系數(shù)的選擇來(lái)提高抗震性能。通過(guò)分析地震加速度，參考該數(shù)據(jù)選擇確定相應(yīng)的規(guī)律參數(shù)，同時(shí)在某個(gè)反應(yīng)內(nèi)確定相應(yīng)的阻尼比參數(shù)，并且根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)信息了解地震加速度的變化情況，通過(guò)繪制曲線的方式得出平均值。在橋梁抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，通過(guò)擴(kuò)大動(dòng)力系數(shù)的方式了解地震反應(yīng)力，分析卓越周期參數(shù)，在地震波的作用之下強(qiáng)迫震動(dòng)。在具體的設(shè)計(jì)中，要結(jié)合不同特征周期、場(chǎng)地反應(yīng)譜展開(kāi)設(shè)計(jì)，繪制出反應(yīng)譜曲線，這樣才能確保設(shè)計(jì)方案的抗震性滿(mǎn)足要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案的要求，應(yīng)該選擇使用非彈性反應(yīng)譜法進(jìn)行，結(jié)合彈性結(jié)構(gòu)體系直接進(jìn)入非線性狀態(tài)中，彈性反應(yīng)譜分析時(shí)要考慮到結(jié)構(gòu)加速度參數(shù)，在受到強(qiáng)度較高的地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)快速進(jìn)入彈性塑性變形階段，從而引起結(jié)構(gòu)剛度、自證特征的變化。彈性反應(yīng)譜法確定地震作用力時(shí)，并不能體現(xiàn)出非線性損傷變化，但是能夠在彈性反應(yīng)譜技術(shù)之下擴(kuò)展影響非彈性反應(yīng)譜，消除設(shè)計(jì)方案的缺陷。如假設(shè)特殊質(zhì)變反應(yīng)特點(diǎn)，如果彈塑性變化和假設(shè)的情況有差異，在非彈性反應(yīng)譜的影響之下會(huì)持續(xù)性減弱，這樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。因此，在設(shè)計(jì)方案確定前，必須對(duì)橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)有足夠的了解，加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，才能提升設(shè)計(jì)水平，并且充分利用動(dòng)力時(shí)程分析方法，通過(guò)地震面運(yùn)動(dòng)加速度記錄，實(shí)現(xiàn)抗震分析，綜合分析彈性與彈塑性變化狀態(tài)，了解地震結(jié)構(gòu)影響因素，綜合掌握各個(gè)方面的要素。

對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要通過(guò)采用和設(shè)計(jì)模式完全匹配的地面運(yùn)動(dòng)加速度方案，形成完整的設(shè)計(jì)模型，如屈服模型等，再經(jīng)過(guò)應(yīng)用三維立體化技術(shù)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)水平[4]。在具體的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，利用積分的方式分析每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，掌握不同時(shí)期的彈塑性地震反應(yīng)，最終可以選擇相同的方法了解薄弱部位，提高抗震設(shè)計(jì)水平，滿(mǎn)足橋梁正常使用的需要。

3.3 延性和位移設(shè)計(jì)

延時(shí)抗震設(shè)計(jì)是通過(guò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件自帶的延時(shí)耗能性抵抗地震作用力的。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)通過(guò)增大結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的延性來(lái)滿(mǎn)足性能需要，允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸的部分進(jìn)行指定的延性設(shè)計(jì)。在此次方案設(shè)計(jì)時(shí)，使地震力、能量通過(guò)地面?zhèn)鞯綐蛄航Y(jié)構(gòu)上，而抗震設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)考慮的問(wèn)題是如何為結(jié)構(gòu)提供這種地震力的能力。在以往的抗震設(shè)計(jì)中，通過(guò)強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念，綜合分析延性、位移參數(shù)，并利用強(qiáng)度指標(biāo)間接實(shí)現(xiàn)。位移對(duì)于橋梁抗震設(shè)計(jì)尤為重要，設(shè)計(jì)人員意識(shí)到該參數(shù)的重要性，所以可以直接將位移參數(shù)應(yīng)用到抗震設(shè)計(jì)中，這樣可以形成多參數(shù)抗震設(shè)計(jì)的方法。目前我國(guó)的很多標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，都已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用位移設(shè)計(jì)理念。

以位移為基礎(chǔ)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，就要根據(jù)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì)要求展開(kāi)位移計(jì)算，確定地震產(chǎn)生的作用力，從而提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到預(yù)期變形標(biāo)準(zhǔn)。這種設(shè)計(jì)方案把結(jié)構(gòu)位移作為結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)假設(shè)位移是結(jié)構(gòu)抗震性能控制因素，利用位移譜分析有效周期，可以得出該結(jié)構(gòu)的基底剪力參數(shù)，分析結(jié)構(gòu)性能，以確定合適的配筋設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方法明確了位移在抗震設(shè)計(jì)的重要作用，并且在設(shè)計(jì)之初就要確定結(jié)構(gòu)性能標(biāo)準(zhǔn)，最終可以達(dá)到橋梁的抗震性能標(biāo)準(zhǔn)。

4 設(shè)防的措施

4.1 場(chǎng)地的整體規(guī)劃

場(chǎng)地整體規(guī)劃工作的重點(diǎn)是對(duì)橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)地震危害性進(jìn)行分析，了解地震作用的嚴(yán)重影響，然后確定最佳的施工位置，確保后續(xù)的施工可以順利進(jìn)行。

在具體的橋梁施工中，要避免地震作用時(shí)出現(xiàn)地基嚴(yán)重失效的不良現(xiàn)象，及時(shí)解決和處理松軟場(chǎng)地的不利影響，選擇在硬度較高的場(chǎng)地中進(jìn)行施工，提高橋梁的整體性，上部結(jié)構(gòu)達(dá)到連續(xù)性的要求。同時(shí)，還要提升橋梁結(jié)構(gòu)的完整性、穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)部件散落的問(wèn)題。在整個(gè)橋梁的設(shè)計(jì)和施工中，必須綜合性分析空間作用基本條件，從平面與立面的角度出發(fā)優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，分析幾何尺寸、質(zhì)量方面的影響，確保剛度是均勻布置的。在對(duì)稱(chēng)、規(guī)整方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免地震出現(xiàn)后引發(fā)變形而造成無(wú)法正常使用的情況出現(xiàn)。

4.2 結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的強(qiáng)度

提高橋梁結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的強(qiáng)度，是設(shè)防工作的重點(diǎn)。在橋梁結(jié)構(gòu)受到地震影響后，發(fā)生損壞的問(wèn)題，主要是地震的作用之下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，所以必須考慮地基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，掌握振動(dòng)能量參數(shù)，將該參數(shù)作為最小值，以提升結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度。在具體的設(shè)計(jì)中，在不增加重量、剛度的基礎(chǔ)之下，提升結(jié)構(gòu)的總體性能，所以剛度選擇要考慮到現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，滿(mǎn)足道路橋梁的正常使用需要。強(qiáng)度是提升抗震效果的重要參數(shù)，地震的作用之下極易出現(xiàn)反復(fù)變形的問(wèn)題，造成剛度與強(qiáng)度性能持續(xù)下降，所以要對(duì)這一問(wèn)題有足夠的認(rèn)識(shí)，并且逐步實(shí)現(xiàn)延性設(shè)計(jì)，完善設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)效果和質(zhì)量，規(guī)避不利因素的影響。

5 如何提高項(xiàng)目中的抗震設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)防目標(biāo)

在我國(guó)的橋梁工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)當(dāng)前的橋梁重要結(jié)構(gòu)、損壞修復(fù)的難易性把橋梁分為四大類(lèi)，按照不同地震強(qiáng)度將地震的破壞影響分為四個(gè)設(shè)防等級(jí)，即6 度、7 度、8 度、9 度 設(shè) 防。根 據(jù) 目 前 的 橋 梁 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，將我國(guó)的橋梁抗震設(shè)計(jì)分為如下三個(gè)層次：

第一層次是橋梁出現(xiàn)了彈性變形，但是并未發(fā)生塑性變化，結(jié)構(gòu)完整度比較高。

第二層次是橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了彈塑性變形問(wèn)題，而主體結(jié)構(gòu)的性能比較好，結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在輕微損壞，不影響整體的使用。

第三層次是主要結(jié)構(gòu)部分發(fā)生損壞的問(wèn)題，但是可以進(jìn)行修復(fù)以恢復(fù)結(jié)構(gòu)性能；而非主要結(jié)構(gòu)部件的損壞比較嚴(yán)重，而橋梁的變形也處于可控的范圍內(nèi)。根據(jù)我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，進(jìn)行公路等級(jí)與橋梁規(guī)模的劃分，主要分為四類(lèi)，根據(jù)上述三個(gè)層次的標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)防，同時(shí)還要綜合考慮當(dāng)?shù)氐亩嘤龅卣?、設(shè)計(jì)地震、罕遇地震等方面要求展開(kāi)設(shè)計(jì)。以罕遇地震進(jìn)行驗(yàn)算分析，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，提高延時(shí)設(shè)計(jì)的效果，達(dá)到橋梁抗震性能標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)節(jié)

目前我國(guó)的公路橋梁抗震方案存在很多的問(wèn)題。從抗震設(shè)計(jì)發(fā)展來(lái)看，存在的主要問(wèn)題就是定量方法的應(yīng)用。因此，結(jié)合以往的地震發(fā)生問(wèn)題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并將抗震設(shè)計(jì)理念、標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)要求應(yīng)用到實(shí)踐中，為我國(guó)的橋梁抗震設(shè)計(jì)提供幫助，大幅提升橋梁通行的安全性。要想達(dá)到這一要求，就必須對(duì)橋梁的構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

5.3 減震隔震設(shè)計(jì)

在橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)中，我國(guó)的國(guó)家規(guī)范對(duì)于減震隔震方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容較少，所以要不斷做出改進(jìn)、完善，才能提高抗震設(shè)計(jì)水平。具體來(lái)說(shuō)，橋梁的減震隔震設(shè)計(jì)要落實(shí)如下要求：設(shè)計(jì)方案中不能出現(xiàn)地基不穩(wěn)定、橋梁固有周期長(zhǎng)、軟弱土質(zhì)等情況。如果延長(zhǎng)橋梁機(jī)構(gòu)的周期，則極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)支反力負(fù)值的情況。在應(yīng)用單振型反應(yīng)譜分析減震隔震設(shè)計(jì)時(shí)，活動(dòng)斷層與橋梁建設(shè)區(qū)域的距離在15km 以上；根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行場(chǎng)地類(lèi)型分類(lèi)，確保場(chǎng)地的穩(wěn)定性；隔震設(shè)計(jì)的等效阻尼比在30%以?xún)?nèi)；橋梁基本周期中的減震設(shè)計(jì)要大于不使用減震設(shè)計(jì)的基本周期，一般2.5 倍以上即可。非線性動(dòng)力時(shí)程法應(yīng)用在上述條件之下，隔震設(shè)計(jì)難以滿(mǎn)足要求。如歐洲橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范就進(jìn)行了特殊減隔震的橋梁設(shè)計(jì)，以降低水平地震的作用影響，從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)固有周期，達(dá)到抗震安全性標(biāo)準(zhǔn)[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，選擇應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段，提高設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、合理性，保證細(xì)節(jié)部分的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求，各個(gè)結(jié)構(gòu)之間連接效果合格，同時(shí)還要重視經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，分析參考數(shù)值，提升設(shè)計(jì)水平，滿(mǎn)足橋梁結(jié)構(gòu)正常使用的需要，對(duì)我國(guó)橋梁事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展產(chǎn)生積極的意義。