桥梁延性抗震设计方法研究进展

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

一、引言

我国处在多个地震板块之间这样的大背景下，如果发生地震灾害，将会给整个桥梁带来不可估量的破坏。怎样有效对桥梁进行抗震验算方面的研究，怎样设计出合理的抗震设计方案且必须使设计的结构在强度、刚度和延性方面具有最理想的组合，怎样使整个桥梁结构可以经济地实现抗震设防目标，都成为了越来越重视的工程问题。其中，对于延性抗震设计越来越重视，除了使用结构抵抗地震外，在设计时采用隔震的措施来减小地震在结构上的传递也是有效的方式。

二、抗震设防标准和震害分析

(一)我国抗震设防标准

由于地震作用的非线性性和地区的资源利用的有限性，无限制地使用某一种标准下去实现在强震作用下工程结构不发生破坏是不切合实际的。但对于同一类桥梁结构在同一地区，由于其政治、经济、战备意义或者使用功能上的重要性以及震后的影响严重程度有所不同，其设防目标和采用的设防水准也要求不同。因此，多标准的地震设防是很有必要的。现行公路桥梁抗震设计规范有 JTG B02—2013《公路工程抗震规范》和 JTG/T B02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》，城市桥梁抗震设计规范是 CJJ166—2011《城市桥梁抗震设计规范》，铁路桥梁抗震设计规范是 GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》，城市轨道交通抗震设计规范是 GB50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》。

(二)桥梁震害现象

相关研究人员对桥梁震害做了详细的描述：桥梁的震害主要是由地震动引起的地表损伤和桥梁结构损伤，地震对桥梁的破坏现象，系统的揭示出结构设计和施工中的缺陷，甚至是最微小的缺陷。

一般而言，地震会引起地表破坏，地表破坏是由地震引起地面开裂、错层、岸坡滑移和砂土液化引起的。这些将会使桥梁基础产生一定程度的倾斜，从而给桥梁整体结构带来结构损坏。

在陡峭的山地或沙土和软土岸坡上，由强震引起的崩塌、泥石流会在一定程度上往往会造成桥梁的破坏。在斜坡或古河道中，地震动往往会发生滑动、开裂和塌陷。

桥梁的震害是由于地震产生的纵波(由震源向四周传播的压缩波，纵波引起地面竖向振动；周期较短，振幅较小，波速较快，使地面上的结构上下颠簸)和横波(由震源向四周传播的剪切波，横波引起地面水平方向振动；横波的周期较长，振幅较大，波速较慢,晚于纵波到达；使结构产生水平晃动)使桥梁发生水平和竖向振动，导致整个全桥体系的各个构件在受力性能上发生变化，严重的情况下导致桥梁倒塌。此外，虽然有些桥梁在设计当中强度和刚度上能够使桥梁结构满足整体构件不被破坏的基本要求，但是桥梁的上部结构和下部结构会产生一定程度的破坏，这些是由于没有考虑到桥梁结构延性的影响，在现役桥梁当中整体性相对来说就很差，一旦遭遇到地震，则将会使整个桥梁体系发生结构位移，从而导致桥梁破坏。

三、桥梁延性抗震设计

在地震的作用下，会使桥梁结构发生强迫位移，故而会改变桥梁结构的整体刚度矩阵，对于大跨径桥梁来说，会产生很大的非线性影响，从而使桥梁结构受力不合理，影响整个桥梁的使用寿命。由此可见，对于桥梁延性的研究也是非常重要的，一个延性较好的桥梁，在受到强迫位移的情况下，桥梁可以通过本身的变形来使内力重分布，达到一个合理地受力状态。

(一)延性抗震设计方法

延性是位于地震区的桥梁结构所必须具备的一个重要的特性。对于延性抗震设计主要基于计算机结构分析软件当中以非线性动态为依据，主要研究桥梁结构在地震作用下，构件之间不发生完全破坏和整体桥梁丧失稳定的前提下，主要提升桥梁构件的滞回耗能能力、塑性铰的设置与极限变形能力。

(二)延性抗震设计的两个阶段

1.从整体桥梁结构体系出发，不仅考虑对桥梁的布置形式进行分析，而且在设计阶段要考虑到桥梁塑性铰最不利的位置，根据最不利的部位进行结构建模分析，在此基础上进行配筋设计。

2.依据目前结构分析软件里边的地震模态分析，进行地震来临时桥梁施工状态下和成桥状态下的模态分析，在此基础上进行桥梁抗震性能的计算与验算，提升整体桥梁结构体系的抗震性能。

在整个桥梁设计当中，根据可能出现的不同问题，以上两阶段可以反复的论证，以至于满足最终的桥梁抗震设计标准。

(三)延性抗震设计研究进展

延性结构的破坏准则可以归纳为:强度破坏准则、变形破坏准则、能量破坏准则、变形和能量双重破坏准则以及基于性能的破坏准则。在各国现行的桥梁抗震设计规范中,基本都直接或间接地采用了变形破坏准则,而基于性能的破坏准则是未来的发展趋势。即能力设计，在延性抗震设计中,为保证结构延性发展与耗能,必须设置塑性铰,使结构形成期望的耗能机构。

四、总结

综上所述，对桥梁进行延性抗震设计是至关重要的一环，掌握地震对桥梁的破坏状态，确保在地震灾害的影响下，桥梁结构不会受到剪切脆性的影响。在对桥梁结构进行延性抗震设计的过程中，不仅要考虑桥梁结构的布置形式对延性抗震设计的效率，而且在对桥梁结构进行设计时要具体分析地震模态对结构的影响。此外，还应该注意的是，对于桥梁结构塑性铰位置，应该适当增加配筋密度，这样不仅能够有效提升桥梁工程延性，而且还能够避免桥梁工程受到剪切破坏的影响，提升桥梁工程的安全性和稳定性。