余国平

摘 要：桥梁结构设计影响着桥梁的抗震性能，因此提出基于位移的桥梁结构抗震设计。主要从结构横梁相互的撞擊、底部横梁架连接器的作用失效、桥墩破坏三个方面分析桥梁结构的震害，确定抗震设计的最佳需求，并基于位移对桥梁结构进行抗震设计，尽可能的在设计上避免因结构部位的缺陷而在震中导致桥梁出现不可逆转的损害，避免桥梁位移产生的不确定的影响，通过实验结果表明，采用改进设计可有效提高桥梁的抗震性。

关键词：桥梁结构;抗震性;位移

通过近年来国内外地震灾害的实例，我们可以了解到，要想适应新时期社会发展的要求，人民群众不光要提高自己的抗震思想，在震中保障生命安全，还需要政府积极采纳年轻一代新鲜血液的设计思路，加快提高桥梁抗震设计水平，对已有桥梁进行高频次抗震实验，并进行分析与改进，对于我国以及周边在地震带上的国家来说，有着重大的研究意义。对此，进行桥梁抗震设计是当前工程界研究的重点。本文以某桥梁为研究对象，建立有限元模型，提出基于位移的桥梁抗震设计方法。

1 桥梁结构主要震害分析

研究桥梁抗震的一个重要内容就是了解桥梁结构的破坏机理及震害形式，从破坏机理和震害形式出发，尽可能地多提出新鲜的抗震设计思路和方法。以地震后的灾害模式来看，对于地震对桥梁结构的损害，一般有以下三种情况：

1.1 结构梁相互的撞击

地震使地壳发生剧烈碰撞，横波和纵波都会对建筑产生破坏，纵波的产生会导致地面进行上下波动，对桥梁上部结构的损坏不是很严重，而往往是因为发生横波地震的时候，桥柱横梁之间进行前后移动，连接处产生撞击，对横截面产生破坏，导致梁体之间的撞击愈发严重，建筑材料破碎，最终导致主梁破裂并产生坍塌。梁体脱落形式包括顺桥向，横桥向和扭转滑移;梁体相互碰撞则主要发生在具有伸缩装置的位置。

1.2 底部横梁架连接部分的作用失效

在对桥梁抗震设计的分析中，底部横梁架是抗震设计中尤为重要的地方，而桥梁底部有一个抗震性最差的位置为支座连接器，其连接着梁架伸缩缝，对剪力键也有着不可忽视的影响。这个对桥梁进行部位支撑的连接器一旦产生故障会使整个桥梁的传递方式的改变，对桥梁其他部位的抗震能力变差，产生十分危险的影响，加剧地震对桥梁建筑的破坏。在以前的地震中，轴承故障很常见，这主要是由于在设计中未充分考虑抗震要求，结构措施（例如结构连接和挡块）不足以及轴承形式和材料的缺陷。地震作用下的轴承失效将导致结构内力的重新分布，从而导致结构失效甚至坍塌。轴承连接器的主要故障形式是轴承固定螺栓的拔出和缩短，活动轴承的脱落以及轴承的结构故障。

1.3 桥墩破坏

弯曲破坏是指桥墩由于过度弯曲变形而失去承载能力的现象，从而导致混凝土表层剥落，纵向钢筋屈服，核心混凝土破碎或开裂。弯曲破坏一般都会在桥墩墩底部位或墩顶部位形成塑性铰，并引起结构内力重分布，吸收部分地震能量，具有较好的延性。如果因为桥墩的抗弯承载力超过地震作用下的抗剪承载力，此时桥墩无法承受过大的压力，致使桥梁柱产生破裂，一旦桥墩截面压力过高，其抗剪能力迅速下降，就会使得桥墩结构被分裂，最终导致坍塌。塑性材料铰链成形后，由于抗剪强度突然下降而导致的弯曲破坏效果优于结构破坏效果。

综上分析震害现象可知，落梁与碰撞破坏、桥墩破坏、支座等连接构件破坏等均会出现位移现象，在对桥梁结构进行抗震设计过程中，在考虑位移对桥梁结构的影响下进行抗震设计。

2 桥梁结构抗震设计

基于位移的桥梁抗震设计方法直接以结构位移为设计指标。 根据不同的地震设防级别，合理地控制结构的整体行为。

2.1 结构损伤分析

在地震作用下，结构的破坏和损伤取决于强度，变形能力和累积能量消耗。破坏指数可以描述为地震引起的结构破坏。选择时应考虑材料的成分和结构的力学特性，并一起评估地震的破坏控制效果。对于易于发生塑性变形的钢筋混凝土结构，使用最广泛的指数可以对桥梁位移架构进行适当性的调整。此时因结构能耗下降，通过基本变形参数和叠加能量吸收线性公式，可计算出位移产生的影响：

式中：位移程度的最大值和阈值用、来表示，而、和则分别表示为结构承受强度、可控效应值，和抗压损伤绝对值。

累积损伤仅仅是通过能量项来说明，对指标进行优化，接触弹性变形带来的干扰，从截面层次计算结构损伤，计算公式为：

式中：代表拦截震波对截面波动的控制的最高曲率，代表预估截面可承受的极限阈值，和表示截面形状改变的最高角度和抗压积累值。

2.2 双自由度桥梁模型

由于摩擦滑动轴承具有非线性特性，且子结构基本上是弹性的，因此可以利用等效刚度和等效阻尼比对非线性结构进行等效分析，从而得到结构的替代响应。以简化的方式估计桥的非线性行为，将桥简化为具有两个自由度的振动系统，并通过动态平衡法获得每个自由度的运动方程，并将绝对位移坐标转换为相对位移坐标，最后计算结构目标位移，得出等效阻尼比：

其中，为桥墩阻尼基本参数比值，为墩柱顶端偏移路线，而底部支座阻尼等效比值和支座偏移角度值用和来表示。

可得出第一阶模态自振频率和周期参数，由此可分析各部分等效线性参数为：

根据修正对应的位移反应谱，计算时的结构位移和：

比较和，若误差大于5%，则需重新迭代计算，若误差小于5%，计算结束，则。

2.3 基于位移的抗震设计

一般来说，钢筋混凝土桥墩自有的延展性能力由位置参与构件位移延展性参数来表示，其内容表示为延展性最高值与位移阈值的比值系数，该系数用表示，根据桥墩底部的横梁结构，将位移分为屈服位移和极限位移，计算墩身曲面率与沿桥墩之间线性比是否为高度线性，假设已知塑性铰区域长度为，在区域内墩底结构墩柱塑性因位移产生转动变形，使区域曲率等于当前墩底截面的最高曲率，通过此时位移阈值可计算出区域内因转动变形产生的位移参数，当转动变形达到桥墩墩顶延展性参数绝对值并达到极限区域时，其表达方式为：

在横向地震作用下，如果封顶梁的刚度足够大，则在多柱墩的顶部和底部可能会出现弯曲的塑料铰链。在此情况下，轴向力动力输出与塑性铰机构因双向运动而对双柱墩产生相对弹性位移，影响动力轴位移能力比值，可计算出双向柱墩弹塑性的简化算法。

式中，墩顶用表示，墩底延展性弯矩用表示，经计算与两者实际数值和参数相同。

3 实验验证

为验证改进设计的有效性，本文运用ANSYS有限元软件建立模型，以位移延性能力为对比目标进行有效性验证，结果如图1所示。

由图1和图2的分析可得出，使用本文分析的方法，普通的15 m桥墩，在不同震波产生的撞击下，桥墩极限延展性与位移程度无论是计算内容还是预估内容，所得参数几乎相差很小;超出15 m的桥墩，则预测值与计算结果随着桥墩高度的增加而加大。由图2可知，当桥墩高度增大时，极限位移相比预测值较小，在本文论述中，延展性位移参数与极限数值经计算所得，与预测值相比均较小，在桥墩高度增加的情况下，本文论述方法对比较小桥墩，其效果更优。

文中不仅分析了震中桥梁位移对桥梁结构的影响，还提出了如何使桥梁抗震设计避免因墩柱延展性双向运动产生弹性位移的影响。因此，除15 m墩外的其他墩柱计算结果均小于预测结果。

4 结束语

针对传统的桥梁抗震设计存在抗震效果差的问题，提出基于位移的桥梁结构抗震设计，在分析位移的基础上，对桥梁结构进行抗震设计，实验结果表明，采用改进设计方法可有效提高桥梁抗震效果。

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