试析桥梁结构抗震设计与设防措施
时间：2022-10-15 04:44:05
【摘要】1、桥梁结构抗震概述 1.1 桥梁结构的构造及类型 桥梁结构一般分为上部结构（分为桥身、桥面和必要的连接结构）和下部结构（分为桥墩、桥台、支座和基础），支撑桥身的承重构件是桥...
摘要：随着我国科学技术的发展，桥梁结构设计技术也得到了迅速的提高，但是其抗震设计和防范措施还存在着诸多不足之处，有待专业人士的探究和改进，本文主要探讨桥梁结构抗震设计与防范措施，以供同行参考。
中图分类号：K928文献标识码： A
前言
当前，随着我国经济的快速发展，公路工程的规模在不断地扩大，而桥梁是公路工程的关键节点。而我国是一个地震灾害发生率较高的国家，地震对桥梁的破坏一方面同建造桥梁所处的地形、地质有关，另一方面也与桥梁自身结构类型相关。以下，本文就对桥梁结构抗震设计的相关方面，即桥梁震害综述、我国抗震设防标准解析，桥梁抗震设计中应注意的问题以及桥梁结构抗震设防措施进行了简要阐述，旨在为桥梁设计工作人员提供参考。
1、桥梁结构抗震概述
1.1 桥梁结构的构造及类型
桥梁结构一般分为上部结构（分为桥身、桥面和必要的连接结构）和下部结构（分为桥墩、桥台、支座和基础），支撑桥身的承重构件是桥墩，主要承受竖向恒载，桥身是承受车辆行人荷载的主要构件，活动支座允许梁伸缩和转动变形，固定支座允许转动但不允许伸缩。桥梁结构类型分为梁桥、拱式桥、悬索桥、斜拉桥、钢构桥。
1.2 桥梁结构的震害及原因分析
桥梁结构震害主要有两种形式：一是场地运动引起的桥梁结构振动，二是场地相对位移产生的强制变形。第一种形式通过惯性力的形式把地震作用施加在桥梁结构上，第二种形式是通过支点强制变形产生的超静定内力或过大的相对变形影响桥梁结构的地震安全性。在地震的作用下桥梁会造到不同程度的破坏，如桥台桥墩倾斜开裂、支座锚栓剪断或拉长甚至桥台桥墩滑移、落梁倒塌。而地震中桥梁破坏有各种形式，以下为几种具有代表性的破坏形式。正确认识桥梁结构震害的产生原因是做好桥梁抗震设计的基本前提，也是抗震设计和结构发挥作用的重要保障。就目前掌握的国内外的地震相关资料来看，公路桥梁的震害表现形式主要有以下几种：首先，地震发生后对梁式桥梁会产生较大的位移，并在位移的过程中对桥梁上部结构的各个节点造成危害。继而形成因节点承载力和角度发生变化所导致的桥梁梁体的相互撞击。于是，引起桥梁的整体形状发生突变，通常表现为桥梁的整体隆起。其次，在地震过程中，公路桥梁的地基周围的土质发生液化，致使桥梁发生位移，于是桥梁结构受到位移的影响引发落梁现象再次，在桥梁的设计和施工过程中，没有充分的考虑支座的抗震功能，于是当地震发生后，桥梁支座因无法承受地震所导致的位移而产生结构破裂，从而影响了其他桥梁上部结构的抗震效果。其四，对于桥梁下半部结构的抗震设计的不足，而导致的字地震过程中出现的各种开裂、变形和失效现象,也会严重的影响桥梁的整体抗震能力。最后，地基周围土质过于松软导致了地震发生后桥梁迅速的发生滑移，从而导致了整体结构遭到破坏。
1.3 桥墩弯曲破坏
弯曲破坏的定义就是指结构的弯曲承载力比结构剪切承载力要低，结构承载能力由抗弯性能起控制作用的破坏形式。因为这种破坏发生后桥墩的塑性变形吸收地震能量和刚度下降能够减轻地震作用的强度，所以，这种破坏通常可以避免桥梁在地震中发生倒塌破坏。
1.4 桥墩剪切破坏
剪切破坏指的是结构弯曲承载能力高于剪切承载能力，结构的承载力完全由剪切强度控制的破坏形式。发生地震时，剪切破坏是导致桥梁遭受严重破坏的主要形式，这种破坏比较常见。
1.5 支座破坏
支座破坏是桥梁上部结构遭受破坏的最常见的一种破坏形式，这种破坏形式也是引起落梁破坏的主要原因，但是支座损伤可以避免上部结构的地震影响传到桥墩，使桥墩免遭破坏。
1.6 落梁破坏
落梁破坏指的是无约束活动节点处的位移过大使得桥跨在纵向的相对位移要比支座长度长，从而引起桥梁破坏。这种破坏在高墩柱的多跨连续梁中经常发生，这是因为梁与桥墩的相对位移过大，支座丧失约束能力后就会引起破坏。
2、桥梁结构抗震设计的思想和原则
2.1 桥梁结构抗震设计的思想
抗震设防的目标是“小震不坏,中震可修,大震不倒”,即按多遇地震、设计地震、罕遇地震对桥梁进行多水准设防。具体来讲,就是在设计基准期内,当发生多遇地震(小震)时,结构处于弹性工作阶段,应保证不损坏或轻微损坏,能够保持其正常使用;在发生设计地震(中震)时,结构整体进入非弹性工作阶段,可能损坏,经修补,能尽早恢复其正常使用;在发生罕遇地震(大震)时,结构进入弹塑性工作阶段,可能产生较大破坏,但不出现整体倒塌,经抢修后可限速通车。一般情况下,抗震设计按“地震动峰值加速度”和“地震动反应谱特征周期”进行抗震验算,并按“抗震设防烈度”要求采取相应的抗震措施。
2.2 桥梁抗震设计要点
对于易发生地震灾害的地区的桥梁建设，或者是地震强度级别较高的地区的公路桥梁建设，工程人员要在认真分析桥梁结构和自身抗震特点的基础上，有针对性的加强桥梁的抗震设计。一般来讲，有如下基本设计原则：首先，要尽量将桥梁的整体重心下移，通过提高桥梁稳定性的方式增强其抗震效果。其次，对于桥梁的高度要做好适当的控制，以免过高的桥梁结构在地震中发生振动，影响下部结构的刚度。再次，应该做好地基的加固处理，避免地基在地震发生后的大幅度位移导致的桥梁整体抗震能力减弱。桥梁的对称位置和结构应该具有大致相同的刚度，因为实践证明结构简单和对称的桥梁较不等跨桥梁的抗震效果更好。尤其是对于长度较长的桥梁，这种差距就更为明显。所以，对于没有特殊要求的桥梁，我们应该尽量采取对称型的小跨径的桥梁。
2.3 中日抗震设计规范的比较分析
2008 年8 月我国交通运输部了公路桥梁抗震设计细则，但有一些规定的可操作性不是很强，同时颁布了《公路桥梁抗震设计细则》，这是以行业推荐性标准的形式，与通用设计规范等其他桥规的地位之间还有一定的不同。1996年日本对桥梁结构抗震规范进行了更新，对罕遇地震作用增加了内陆直下型地震，地震最大强度达1.5 g-2.0 g, 再次强化了弹塑性数值计算的地位。2002 年日本对抗震设计的一些具体要求进行了进一步的细化。
3、桥梁结构抗震设计
桥梁结构的抗震计算的地震力理论经历了三个阶段：静力法、反应谱理论、动态时程分析法。地震力理论又叫做地震作用理论，它是研究地震时地面运动对结构物产生的动态效应。我国桥梁的抗震设计正在向着弹性设计、弹塑性设计并存的方向发展。以下为桥梁抗震设计的各种理论。
3.1 静力法
早在1899 年，日本大房森吉就提出了静力法的概念，这种方法假设结构物的各个部分与地震动具有相同的震动，这时结构物上只作用在地面上的运动加速度乘上结构物质量所产生的惯性力，这种惯性力视作静力作用于结构物作抗震计算。
3.2 反应谱法
反应谱指的是在某一给定的地震动作用下，单自由度体系反映的最大绝对值与自振周期、阻尼比之间的关系。反应谱法也有自身的缺陷：只适应于弹性分析；只能得到最大反应；多阵型反应谱法存在振型组合的问题。
3.3 其他抗震设计法
20 世纪50 年代随机振动方法被人们广泛认为是一种较为先进合理的方法，在此提出了虚拟激励法，成为有效利用随机振动方法的实践依据。1975 年一种简单实用又比较可靠的抗震设计方法- 静力弹塑性分析方法（Pushover 分析方法）被Freeman 等提出，20 世纪90 年代以后，这种分析方法引起了地震工程界的关注。
4、桥梁抗震设防措施
一个是概念设计、一个是构造细节设计。需要注意的是,这两个东西其实和具体的抗震计算关系不大,计算只是辅助手段,只是验证概念和细节的合理性。所以设计师需要的是对桥梁抗震设计基本概念和原理的深刻理解。构造细节措施则包括一些基本的抗震措施,比如支座的选择、挡块的设置等等,还包括构件细节的构造措施、比如墩的箍筋配置、节点配筋构造。国内外桥梁抗震研究人员一直都在研究桥梁的合理构造措施,合理的构造措施可以提高整体的延性及滞回耗能能力。
抗震设计的理念应该贯穿在整个桥梁结构的设计过程中，从设计方案选择上注重桥梁的抗震性能， 通过反复的实验和推敲来确定桥梁设计的方案。实用的抗震方法，是通过增加桥梁结构的柔性来延长结构的自振周期，这样，一来可以增加结构的阻尼并减小地震载荷，二来可以减小地震所引起的桥梁结构的反应， 实质就是减小地震的危害。目前来说，比较有效和容易实现的提高桥梁的抗震性能的方法是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数来表示。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的周期，并同时耗散地震的能量。利用桥墩自身加强的延性，将地震力通过限度内的塑性变形渐渐分散，是在桥梁结构设计中比较容易实现的抗震方法之一。延性的抗震设计，需要根据弹性反应来计算塑性变形的程度，然后根据抗震等级进行修正，尽可能提高桥梁结构的抗震载荷。在桥梁的抗震设计规范中，综合影响系数是用来反映塑性变形程度， 所以根据综合系数可以确定桥梁的抗震能力。
美国caltrans规范早在20世纪 70年代就引入了关于桥梁抗震要考虑延性设计的影响,其目的是通过对桥梁结构细部的规定将强震下的非弹性变形限制于桥柱和墙式墩的塑性区域。 根据每座桥梁的延性的不同，ATC-32 建议将桥梁结构分为四种类型，即充分延性结构、有限延性结构、弹性结构、有保护系统的结构。
结束语
地震的发生危害巨大且难以预测,我们要把握工程质量,增加建筑物抗震性能,提高防震防灾的意识,把工夫做在平时,防患于未然,切不可抱有侥幸心理,只有这样才能在遇到突发地震时减少人员伤亡,降低经济社会损失。
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