探讨桥梁结构抗震性能的设计

2011-08-15蔡国利

城市道桥与防洪 2011年9期

蔡国利

（河北锐驰交通工程咨询有限公司，河北石家庄 052300）

0 引言

近年来世界各地都发生了不同程度的地震灾害，给人们造成了巨大的精神损失和经济损失，如我国在1976年河北省唐山市发生了里氏7.8级大地震，造成20万人死亡，16万人受伤，唐山市遭到毁灭性破坏；2008年5月12日四川汶川大地震高达里氏8.0级，导致7万人死亡，37万人受伤，直接经济损失达上千亿元人民币；2011年3月11日日本海域发生里氏9.0级高强度地震，造成日本核辐射泄露，宫本县“严重伤亡”。因此，桥梁结构的抗震性研究已经成为桥梁事业中不可忽视的问题。

桥梁结构的抗震性设计理论最初的研究是静力弹性设计、动力弹性设计，接着动力弹性设计方法的有效性在社会中得到了广泛的认同，随后延性设计、减隔震结构等结构抗震设计方法在世界各国的抗震性设计规范中得到不同程度的应用。我国的桥梁抗震设计规范也逐步向着弹性设计、弹塑性设计方法并存的方向发展，因此，不仅要了解工程结构抗震设计中的弹性设计理论，而且要熟练掌握弹塑性地震相应设计方法在桥梁结构抗震设计中的应用。

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

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。

1.2.1桥墩弯曲破坏

弯曲破坏指的是结构的弯曲承载能力低于剪切破坏的承载能力，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。

1.2.2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。

1.2.3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。

1.2.4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

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。

2.1 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。

2.2 反应谱法

1943年时M.A.Biot提出了反应谱概念，给出世界上第一个弹性反应谱。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。

2.3 动态时程分析

20世纪60年代，在重要的建筑物、大跨度桥梁和其他特殊结构物采用多节点、多自由度的结构有限元动力计算模式，把地震强迫振动的激振-地震加速度时程直接输入，对结构进行地震时程反映分析，这统称为动态时程分析。动态时程分析法可以考虑各种不同的因素，使结构抗震计算分析的结果更加符合实际震害现象。

2.4 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。

3 中日抗震设计规范的比较分析

2008年8月我国交通运输部发布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发布，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。