简述大跨度桥梁抗震设计方法

张忠良

【摘要】：介绍大跨度桥梁的抗震设计研究进展，并提出了在桥梁抗震的设计过程中应遵循的一些设计原则和桥梁减、隔震的有效措施，指出合理的结构形式的抗震设计可以大大的减轻甚至避免震害的产生，从而能很好地达到桥梁结构的防 震和抗震效果。

【关键词】：桥梁抗震设计；分级设防；延性抗震准则

一、大跨度桥梁的抗震设计研究进展

大跨度的桥梁，地震反应比较复杂，抗震设计相对也比较复杂。目前，国内外现行的大部分桥梁工程抗震设计规范，只适合用于中等跨径的桥梁，超过了使用范围的大跨度桥梁便无规范可循。比如美国的AASHTO规范以及我国公路工程抗震设计规范的适用范围是150m，日本的规范中适用范围是200m，我国铁路工程抗震设计规范虽然没有说明跨径的范围，但说明了“对特殊抗震要求的建筑物和新型结构应进行专门研究设计”。大跨度的桥梁没有可以遵循的抗震设计规范，因此存在许多需要进一步解决的问题。

近30年来，在美国、日本等国家的地震工程专家提出了分级设防的抗震设计思想，可以概括成为：小震不坏、中震可修、大震不倒。我国《公路工程抗震设计规范》中规定了地震烈度在7度以上的地区新建桥梁都必须抗震设防。1997年美国的应用技术委员会完成了一项科研项目（ATC-18），并对美国公路桥梁抗震设计规范提出了改进建议，其中，主要的建议是采用两水平的抗震设计方法，也就是要求结构在两个概率水平的地震作用之下，分别达到两个不同性能标准。现行的日本规范己经采用这一方法。

1975年，新西兰学者提出了结构延性抗震设计理论中的一个重要思想——能力设计思想。这个思想基本的概念在于合理的选择塑性铰存在的位置，通过牺牲塑性铰所在延性构件耗能的能力，来保证结构当中脆性构件处于弹性的反应阶段， 进而获取整个结构的安全。按照这个思想，为能确保塑性铰弯曲耗能能力，必须要防止塑性铰所在的延性构件的内部发生脆性破坏模式，比如剪切破坏、粘结破坏以及失稳破坏等。桥梁抗震设计当中，为了能使地震造成的破坏容易检查和维修，通常会把桥墩选为延性构件，并要求弯曲塑性铰出现在桥墩部分的顶部或底部，上部结构以及地面以下的基础结构为能力保护构件。能力设计思想目前广泛地被国内外专家学者所接受。

二、抗震设计

大跨度的桥梁抗震设计应该分为两个阶段进行：1）在方案设计的阶段进行抗震概念的设计，选一个比较理想的抗震结构体系；2）在初步或者技术设计的阶段进行延性抗震设计，并且根据能力设计思想来进行抗震能力的验算，在必要时进行减、隔震设计以便提高结构的抗震能力。

（1）抗震概念设计

由于地震发生的不确定及复杂性，再者加上结构计算模型假定和实际情况的差异，使“计算设计”很难控制结构抗震性能，因此不能完全依赖计算。结构抗震性能决定的因素是良好的“概念设计”。所以，在桥梁方案的设计阶段，不能只根据功能要求和静力分析就决定方案的取舍，还应当考虑到桥梁的抗震性能，

尽量选择好的抗震结构体系。

抗震概念设计的时候，要特别注重上、下部结构连接部位的设计，桥墩形式的选取，过渡孔处的连接部位的设计和塑性铰预期部位选择。

为了保证选择的结构体系在桥址处的场地条件下，确实是好的抗震体系，必须要进行简单分析（动力特性的分析及地震反应评估），并结合结构设计中结构的抗震薄弱部位分析，从而进一步分析是否能够通过配筋或构造设计来保证这些部位抗震的安全性。最后，依据分析结果来综合评判结构体系的抗震性能优劣，决定是否需要修改设计方案。

（2）延性抗震设计

桥梁的延性抗震设计应该分为两个阶段来進行：1）对于预期中会出现塑性铰的部位进行仔细的配筋设计；2）对整个桥梁结构进行抗震能力的分析验算，以确保其抗震的安全性。这两个阶段可以反复，一直到能通过抗震能力验算。

结构关键截面的曲率延性系数一般要大于结构的位移延性系数。因为一旦屈服出现，而进一步的变形主要是依靠塑性铰的转动。塑性铰区的横向配筋要同时满足能保证截面的延性和保证纵向钢筋不压溃屈曲这两个要求。在这一方面， 我国目前的规范还相当的不足，可以参考国外的规范进行。如美国的AASH-TO规范及欧洲规范中对体积含箍率的规定比较一致，特别是欧洲的规范对横向约束钢筋的配置是有非常详细的配置。

（3）桥梁减、隔震设计

减、隔震体系是通过增大结构的主要振型周期，使其落在地震能量较少的范围内或者增大结构的能量耗散能力，从而达到减小结构地震反应的目的。减、隔震设计效果，需要进行非线性地震的反应分析来验证。

大跨度公路桥梁当中广泛使用了高载多向的桥梁支座作为隔震支座。在强震的作用下，高载多向支座构造的特性决定了它们都要进入非线性（接触一滑移）的状态，合理模拟了其工作性状对于结构地震的反应结果有着直接影响，国内外都提出了一些力学模型。对于用平面杆系模型模拟的公路桥梁来说，采用了二维正交弹簧模型来模拟高载多向支座的工作性状是可行的。对于空间结构力学模 型来说，可以采用空间等代杆件的力学模型来模拟高载多向支座

参考文献：

[1]陆鸣，田学民，王笃国，李丽媛.建筑结构基础隔震技术的研究和应用[J].《震灾防御技术》， 2006年第1期第31-38页

[2]刘昱彤，基础隔震技术在建筑结构中的应用探讨[J].《山西建筑》， 2011年37卷（9）期第36-37页