王建森

(山东科技大学 土木工程与建筑学院)

浅析桥梁抗震设计

王建森

(山东科技大学 土木工程与建筑学院)

桥梁作为重要的社会基础设施，是生命线工程中的关键部分。因此，对桥梁震害加以正确分析，对桥梁采取合理、有效的抗震对策，保证桥梁在地震中的安全和正常使用，对城市和地区的抗震防灾减灾工作和地震灾区的震后恢复重建工作都具有重要的意义。桥梁结构抗震设计应包括桥梁震害宏观调查、桥梁结构抗震设计、抗震措施。为了保障公路桥梁设施的完好，就需要在桥梁设计中对桥梁抗震设计有充分的重视。

桥梁抗震；抗震设计；设计规范；抗震措施

1 桥梁震害类型及原因分析

国内外学者对桥梁震害的调查研究结果表明，现在桥梁的破坏大多沿顺桥向和横桥向发生，而顺桥向震害尤其严重，分析其破坏类型和原因主要表现在以下几个方面。

1.1 落梁或梁体相互磁撞

地震位移造成的梁式桥梁上部活动节点处因盖梁宽度设置不足导致落梁或梁体相互磁撞引起的破坏。

1.2 地基土的地震液化

由于地基土（如饱和粉细纱和饱和粘沙土）的地震液化影响，同样加大了地震位移的影响,进而放大了结构的振动反应，使落梁的可能性增大。

1.3 支座破坏

在地震力的作用下,由于支座设计没有充分考虑抗震要求，构造上连接与支挡等构造措施不足，从而造成如支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等，并由此导致结构力的传递形式的变化，进而对结构的其他部位产生不利的影响。

1.4 软弱的下部结构破坏

由于桥梁下部结构不足以抵抗其自身的惯性力和支座传递的主梁的地震力，导致结构下部的开裂、变形和失效，甚至倾覆，并由此引起全桥的严重破坏。

1.5 桥梁河岸滑移

在松软地基上的桥梁，特别是特大桥、大中桥，地震时往往发生河岸滑移，使桥台向河心移动，导致全桥长度的缩短，这类震害是比较严重的[1]。

1.6 其他原因

另外桥梁结构的震害还表现在如结构构造及连接不当造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成桥台沉降或斜度过大造成桥墩台承受过大的扭矩而引起的破坏等多种原因。

2 桥梁抗震设计

2.1 地震区桥位和桥型选择

桥位应选择在对抗震有利的地段，尽可能避免选择在软弱粘性土层、可液化土层和地层严重不均匀的地段。型要选择抗震性能好、整体性强的结构体系，如连续梁，无铰拱等。

2.2 设计烈度

抗震设防烈度为6度及6度以上地区的桥梁，都必须进行抗震设计。

2.3 设计方法

对一般桥梁工程，则按规范所规定的简化方法进行结构抗震设计。中国规范是采用反应谱理论来确保结构的抗震安全。对大跨度或特别重要的桥梁结构，应对结构进行地震动力分析。

从许多强震记录的加速度反应谱中,可以归纳出以下几个特点:1)地震反应谱是多峰点曲线,阻尼为零时,反应谱值最大,峰点突出,但较小的阻尼(ζ=0.02)就能使反应谱的峰点削平很多。2)加速度反应谱在短周期部分上跳动比较大,但周期稍长时,就显出随周期增大逐渐减小的趋势。

根据上述特征,人们编制出了抗震设计用的加速度反应谱,即设计反应谱,并不断完善,将其纳入国家抗震设计《规范》。我国《规范》中称为地震影响系数α曲线,其数值表达以重力加速度 g为单位的单质点体系最大绝对加速度值。具体设计使用时,可根据条件在曲线上查取与结构自振周期相应的α值。再由 F=α・W(W 为质点重量)即可给出单质点体系的等效地震作用力。其中,场地条件对αmax也有影响,因关系复杂且资料有限,目前还处在进一步研究中[2]。

在地震反应分析中的反应谱理论中，最基本的多自由度体系线性动力反应分析方法有:时域分析法、频域分析法和振型叠加法。虽然反应谱能简洁合理地解决了关于地震动强度问题，分析结构的动力响应，但由于反应谱的建立过程中采取了一系列基本假定，地震动本身的随机性使得反应谱还存在一些局限性，具体表现：

（1）反应谱是弹性范围内的概念，不能反映结构的非弹性性质；

（2）反应谱只反映了地震加速度中最强烈的部分，不能反映地震持时的影响；

（3）反应谱不能反映建筑物的质量和刚度沿高度不均匀分布时的情况；

（4）反应谱仅能分析单个阻尼的情况，不能反映多个阻尼的情况[3]。

3 桥梁抗震设计规范

当前主要地震国家桥梁抗震设计规范的基本思想和设计准则是：

设计地震作用基本分为两个等级，都可归纳为功能设计地震和安全设计地震。

在功能设计地震作用下，桥梁结构只允许发生十分轻微的破坏，不影响正常的交通，不经修复也可以继续使用；

在安全设计地震的作用下，允许桥梁结构发生较大的破坏，但不允许发生整体破坏，如倒塌、落梁，欧洲规范对此规定得最为清楚、具体。

各国桥梁抗震设计规范中虽然设定了两个水准，但在具体的设计程序上绝大多数仍坚持以安全设计地震为准的单一水平设计手法，并认为第一设计水准的要求自动满足。

近十几年发生在世界各地的大地震给桥梁结构造成了重大破坏，同时也促进了桥梁抗震设计规范的修订工作。

规范的修订主要参考了近十几年来的地震震害经验，同时借鉴了结构抗震研究领域的最新研究成果。概况起来，新规范的发展动向有以下几个方面：

（1）抗震设防标准。传统的作法是，只针对单一的地震作用水平进行结构的抗震设计。现在的问题是针对每一个目标都结出相应的具体设计程序。这样一来，就需要对目前实际上还是单一水准强度抗震设计原则进行修订，采用多水准、多设防目标和多阶段的抗震设计原则。

（2）延性和位移设计：传统的桥梁抗震设计采用强度设计方法，即使考虑到延性和位移，也是通过强度指标间接地实现。

（3）减、隔震和耗能设计：桥梁结构减、隔震和耗能技术经过数十年的研究和开发后，已经逐渐进入实用阶段。

4 抗震措施

为防止或减轻震害，提高结构抗震能力，对结构构造所作的改善和加强处理，这些措施可归纳为：

（1）对于高烈度地区抗震控制设计的桥梁，采用减隔震支座的可以很好地解决工程难题，达到桥梁结构的既定抗震设防目标[4]。

（2）构造方式来解决抗震问题一般比较经济，我国主梁纵向连接方式普遍采用桥面连续，有效地增加了支座对主梁变形的约束，协调了主梁各跨的位移，值得推广。

（3）对于两岸条件良好，尤其是两侧边坡存在潜在地质灾害的情况，建议采用拱桥，增强桥梁抵御落石的能力[5]。

（4）拱桥抗震要注意主拱保持弹性，横撑刚度不宜过大，应遵循“强拱弱撑”的原则。要注意选择在地震条件下稳定的地基。

（5）桥台的限位作用对于桥长200m以内的桥梁是有效的。对于流水量不大的桥梁，不要采用过长的引桥。

5 结论

（1）目前桥梁抗震设计中有许多问题不能定量描述，仍需根据震害、概念设计及定性研究的成果提出细部构造[6]。

（2）桥梁结构抗震设防标准及性能的定量研究。桥梁结构的抗震设防标准是我们仍在面临的问题，尤其是大跨度桥梁的设防标准目前没有定论。许多专家、学者一直在提倡分级设防，对于每一级别结构的性能要求也进行了定性描述，对于工程师来说这些定性的描述无法指导设计，只有将这些描述量化到强度、变形、延性等才能真正实现多标准、多设防的目标。

[1]刘恢先.唐山大地震震害[M].北京: 地震出版社,1986.

[2]沈聚敏,周锡元.抗震工程学[M].北京:建筑工业出版社,2001.

[3]胡聿贤.地震工程学[M].北京:地震出版社,1988.

[4]齐怀恩,王光远.公路桥梁抗震设防标准的研究[J］．东北公路，1999

[5]陈乐生，庄卫林，超河清等,汉川地震公路震害调查(桥梁)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[6]庄卫林，陈乐生.次川地震公路震害分析(新梁与隧道)[M]，北京：人民交通出版社，2013.

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1007-6344（2017）02-0019-01