大跨度桥梁的结构抗震设计

本文对大跨度桥梁的结构抗震设计进行分析，希望同行批评指正。 

关键词：大跨径桥梁；结构抗震；地震响应 

　　前言：大跨度桥梁不仅在我国也是全世界交通运输中的关键工程，起着交通枢纽的作用。因其投资大，对国民经济有着非常重大的影响。因此，进行正确有效的抗震设计，确保其抗展安全性具有更加重要的意义。现行的公路或者铁路的抗震设计规范中对大跨度斜拉桥的抗震设计并无详细说明，需要做专项的抗震设计研究。从目前的结构抗震技术的发展来看，结构的减隔震设计将是今后工程结构设计中必不可少的一部分，也将是结构抗震设计的重要组成部分。 

　　1、桥梁结构地震响应分析方法 

　　现行桥梁的抗震分析方法主要为确定性分析方法，它是以确定性的荷载作用在结构上，包括静力法、地震反应谱分析方法和时程分析方法，是目前应用广泛的地震分析方法。 

　　1.1反应谱法 

　　此法考虑了结构的动力特性，用静力的方法去解决动力问题。动力反应谱法还是采用地震荷载的概念，从地震动出发求结构的最大地震反应，但同时考虑了地面运动和结构的动力特性，比静力法有很大的进步。反应谱方法概念简单、计算方便，可以用较少的计算量获得结构的最大反应值。由于反应谱适用于弹性范围内，因而当结构在一定强度的地震是，进入塑性工作阶段就不能运用，因此，它不能考虑结构的非线性。另一方面，地震作用是一个时间过程，但反应谱方法只能得到最大反应，不能反映结构在地震动过程中的经历。 

　　1.2动态时程分析法 

　　此法是在地震时建立结构振动方程式，求解每一时刻的结构响应。目前，大多数国家除对常用的中小跨度桥梁仍采用反应谱方法计算外，对重要、复杂、大跨的桥梁抗震分析均采用动态时程分析法。动态时程分析法首先地震动输入，再采用有限元动力建立方程，然后采用逐步积分法求解，计算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度响应，从而可以分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件逐步开裂、损坏直至倒塌的全过程。动态时程分析方法使得桥梁结构的抗震设计从以往的强度单一保证转入结构构件强度和延性的双重保证；同时使得桥梁设计师对设计结构的地震力破坏机理更加明了，进而釆取有效的措施提高结构的抗震能力。 

　　2、在地震中桥梁较易产生破坏的位置及其原因 

　　一般情况下，桥梁是当地交通的咽喉，一旦在地震中发生严重破坏，将严重地影响到震后救援工作的展开，如果延误救援时机，造成次生灾害加重，这会对人民的生命财产安全带来巨大损失。从造成桥梁的破坏原因来看，由于地震造成的桥梁破坏数量要远多于撞击、风振等原因引起的破坏。地震对桥梁造成的破坏揭示了结构设计和施工等方面的缺陷，从最近几次国内外大地震造成的桥梁破坏情况来看，引起桥梁破坏的主要原因主要表现为以下几个方面：（1）地震强度超出了设防标准；（2）地震造成桥梁地基失效；（3）桥梁设计、施工缺陷；（4）由于对地震工程学的认识不足，设计的桥梁本身抗震能力不足。 

　　2.1上部结构的震害 

　　桥梁的上部结构在地震中出现损坏是比较常见的损坏主要有三种类型：分别是碰撞损坏、 

　　移位损坏和自身损坏。由于上部结构承受自身重力荷载和使用荷载，设计时按照弹性设计，在抗震设计中通常也设计为较强的环节。因此地震中上部结构基本上可以保持弹性。上部结构由于自身强度不足引起的破坏仅仅是局部的。就一般而言，上部结构的损伤引起桥梁倒塌的可能性不大。与主梁破坏相比之下，上部结构中支座破坏却是较为常见。上部结构的地震惯性力主要是通过支座传递到下部结构上，当支座传递的荷载超过支座的设计强度时就有可能产生支座破坏，即地震过程中，桥梁支座将承受很大的剪力和变形，当剪力超锚栓的强度后，描栓破坏，或者支座变位超过活动支座的允许值，使得桥梁倾斜或者支座错位。支座一旦发生破坏，梁体无约束活动节点处的位移极有可能超出支座长度范围，发生落梁破坏或者由于支座失效后，主梁横向震动时，抗震挡块设置不甚合理没能够有效的防止落梁发生。 

　　2.2地基土产生地震液化造成的震害 

　　地基是桥梁的主要支撑部分一旦破坏失去他的支持作用就可能会造成上部结构落梁这种情况的出现，而且由于地基土质软弱在地震时地基不可避免的会被破坏。这样地基就会失效地基上面的结构物会发生整体的倾斜或者整体的下沉因而产生严重的变形这样的变形，对桥梁结构来说是致命的会直接导致桥梁整个结构发生变化引发严重的震害。 

　　2.3下部结构的震害 

　　与上部结构震害相比，桥梁墩柱的破坏是桥梁震害的主要形式。桥破坏的主要现象有桥柱的倒塌、断裂和倾斜；对于钢筋混凝土桥場，其破坏现象还包括了桥墩开裂、保护层剥落和纵向钢筋的屈服。但是，对于钢筋混凝土桥壞而言，通常还发生以下几种具有代表性的破坏： 

　　（1）对于上世纪七十年代以前设计的桥場，由于延性考虑的不够，地震中一旦超过屈服，强度会急剧下降而使桥壤破坏，这种破坏称为弯曲破坏；另外不当的主筋切断位置也会造成桥柱的弯曲破坏。 

　　（2）一般认为，沿着斜裂缝方向的骨料咬合、横向钢筋和轴力共同提供了钢筋混凝土桥柱的抗剪强度。但是，当前在钢筋混凝土桥墩中的横向钢筋配置较少，连接性能也较差，因此桥柱的抗剪能力有限，对于较为短、粗的桥柱而言将更为不利。 

　　由于钢筋混凝土结构的破坏形式与结构的变形能力相关，如果延性较差的结构在地震中因失去承载能力发生倒塌性破坏，那对整个结构的安全性而言也是灾难性的。因此在此类结构设计时，应该尽量的避免难以修复的脆性破坏，如弯剪破坏、剪切破坏等在地震中都是不希望出现的。 

　　对于跨河桥梁而言，桥台一般建于坡岸上，在强震作用下，如果边坡或者地基中含有的软弱液化层，边坡发生滑坡，带动桥墩和桥台也发生滑移，引起桥台滑移、倾斜，桥台的翼墙破坏填土下沉。一般情况下，桥台是三面临空的，而且台背侧的土体本身在强震过程中将会发生液化、震陷等破坏，因此桥台是整个桥梁抵抗地震作用的薄弱部分 

　　3、提高结构抗震性能的建议 

　　采用桥梁延性控制方法。桥梁的延性是实现桥梁结构抗震性能设计的一个重要手段，桥梁的延性反映了桥梁结构或材料在强度没有明显降低的情况下，出现的非弹性变形能力桥梁的延性可以用构件截面的曲率延性系来表示，当允许出现塑性铰时各国规范都要求塑性铰要设计在方便检修的位置。 

　　桥墩的延性是抗震设计中可以加以利用的特点，由于桥墩自身所具备的延性将这一性质加强在强震时，这些部位所形成的稳定延性塑性铰可以产生弹塑性变形这样变形将延长结构周期并同时耗散地震的能量。 

　　结语 

　　伴随大跨度桥梁应用的增加，又因其受地震响应比较复杂，影响因素繁多等诸多因素，所以造成对大跨度桥梁进行相应的抗震设计、分析与评估比较困难。随着抗震理论的不断发展更新，我国大跨度桥梁的抗震研究虽然已经取得不小的成就。但由于大度桥梁空间结构的复杂性和方法的局限性，所以对大跨度桥梁的抗震分析仍需要进一步的提高。桥梁结构的抗震设计将引起高度重视 并在实践中进行广泛的推广应用。 

　　参考文献： 

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　　[2] 李国豪I 桥梁结构稳定与振动（修订版）[M]I 北京：中国铁道出版社，1996 

　　[3] 房营光I 岩土介质与结构动力相互作用理论及其应用[G]I 北京：科学技术出版社，2005 

　　[4] 陆锐I 群桩桥梁结构抗震简化计算方法的比较分析[D]I 上海：同济大学，2001