桥梁抗震设计理论分析

陈泉杜

摘 要：地震灾害造成的破坏是极大的，合理的抗震设计理论能保证桥梁结构安全可靠。本文以桥梁抗震设计为分析对象，介绍了常见桥梁震害，阐述了桥梁结构抗震体系、抗震分析方法，为桥梁抗震设计提供理论基础。

关键词：桥梁抗震设计;抗震体系;抗震分析方法

文章编号：2095-4085（2020）04-0016-02

地震是一种突发性的自然灾害，我国大陆地震频繁，具有强度大、分布广特点。地震给人类带来生命财产损失巨大，且带来经济和社会问题。地震工程学者认识到地震灾害的严重性，只有合理的抗震设计以及运用抗震设计理论，才能保证桥梁结构在地震发生时达到预期的抗震性能。

1 常见桥梁震害

经过调研国内外的地震灾害显示，当震区桥梁破坏坍塌，不仅影响救灾通道，而且灾后需恢复重建。调研桥梁结构常见震害和分析产生震害的原因，能指导建立正确的抗震设计方法和有效的抗震措施。因此，研究历次破坏性地震中桥梁结构幸存或者破坏的情況，能优化桥梁设计和改进施工方法。常见桥梁震害如下。

（1）主梁震害 在早期的破坏性地震中，最严重的表现形式是落梁现象，顺桥向落梁情况大于横桥向落梁。主梁震害主要是自身震害、位移震害、碰撞震害等。

（2）支座震害 支座在抗震设计时容易忽视，如未设计合理的挡块和连梁装置，容易导致支座发生位移或者脱落，进而发生落梁等破坏形式。

（3）桥台震害 桥台产生位置偏移，桩基同时会偏移或产生裂缝，甚至断裂。

（4）桥墩震害 桥墩在地震作用下受到较大的往返水平力，较为薄弱的截面经过反复的振动发生破坏，破坏形式主要包括墩柱弯曲破坏、剪切破坏、墩柱承台震害等。

（5）基础震害 土体滑移和砂土液化等地基失效是扩大基础和桩基础产生震害的主要原因，桩基础会产生弯曲和剪切破坏，主要是上部结构传下来惯性力以及设计不合理导致。

2 桥梁抗震设计理论

我国桥梁抗震分析理论相比发达国家起步比较晚，最初开始于上世纪50年代。总结历年地震震害经验，我国广泛吸取了日本、美国和新西兰等国丰富的抗震经验和科技研究水平，提高了对地震动和结构动力特性认识，改善地震响应研究方法，形成一整套相对完整的抗震体系，设计理论水平得到提高。

2.1 桥梁结构抗震体系

桥梁结构抗震体系是承担水平和竖向地震作用，是各种桥梁结构体系的总称。工程设计师选择正确的抗震体系是进行桥梁抗震设计的前提，桥梁结构抗震体系需有明确和可靠的位移约束、传力途径、能量耗散部位，能有效控制位移，防止落梁，具有避免因部分桥梁构件破坏（如支座、挡块）而导致结构倒塌的能力。常规桥梁抗震体系如下。

2.1.1 延性抗震体系

桥梁结构延性抗震体系目的是延长结构周期、发挥耗散地震能量机制、减小桥梁地震响应，前提要选择合理的弹塑性耗能部位及变形构件。常规桥梁的弹塑性耗能部位设定在桥墩上，能达到抗震体系目的，便于检查和修复桥墩震害部位。常见连续梁、简支梁桥单柱墩耗能部位是墩底，双柱墩耗能部位是墩顶、墩底和系梁两端。因此，桥梁墩柱、系梁应作为延性构件设计，其上部结构、盖粱、支座、基础宜作为能力保护构件，要求保持在弹性范围内，构件不受损伤。一般情况下，延性抗震体系适用于高墩、墩柱长细比大的桥梁结构抗震设计。

2.1.2 减隔震抗震体系

桥梁结构减隔震抗震体系是通过设置减隔震支座或耗能设备来控制位移和耗能，保护主梁、墩柱及基础等不受破坏，保持在弹性范围内。相比延性抗震体系，桥墩可以避免发生结构性破坏。通过设计合理的减隔震支座或耗能设备参数，保证桥梁上、下部连接部位可靠的传递作用力，避免桥梁发生严重破坏。对于矮墩、墩柱长细比小的桥梁结构，建议采用减隔震抗震体系进行抗震设计。

2.2 桥梁抗震分析方法

随着人们对地震动和结构动力特性认识逐步加深，也逐步发展桥梁结构地震响应分析方法。常见桥梁抗震分析方法如下。

2.2.1 静力法

静力法是假设结构各个部位震动与地震发生时形成的振动一致，地震力作为静力施加于桥梁上，进而进行线弹性静力分析，降低问题的复杂。静力法不考虑结构动力特性，除非桥梁结构能近似看作绝对刚体。因此，静力法具有很大限制性，但概念简单清晰，适用于重力式桥台、挡土结构等整体刚度较大的结构抗震分析。

2.2.2 反应谱法

反应谱法将结构的动力问题转化成通俗易懂的静力问题，计算简单。反应谱法是作为规范基本的抗震分析法，适用于弹性范围内结构抗震分析，存在不适用进入塑性阶段的桥梁，且求得只是结构最大地震响应值，不能求出随地震变化而变化的地震响应值。因此，适用于中小跨度桥梁抗震分析。

2.2.3 动力时程分析法

动力时程分析法随着计算机和动力试验技术广泛应用和发展而应运而生。通过建立多自由度多节点有限元动力分析模型，输入地震动，分析结构在地震作用下地震响应和内力随时间变化。动力时程分析法能考虑结构、基础和土之间的相互作用，精确分析发生强烈非线性反应的结构地震响应。但存在一些主要问题仍需进一步研究，如地震动的输入;结构、基础和土之间相互作用等，具有计算量大、塑性铰等理论复杂等特点。因此，建议在相对比较重要、复杂、大跨度的桥梁抗震分析中使用。

3 桥梁抗震设计

地震灾害因是瞬间发生，表现出不确定性、复杂性。桥梁设计师进行抗震设计，应熟悉桥梁抗震设计规范，综合考虑桥梁抗震性能要求、功能需求、景观要求、经济合理等方面，而后选定对桥型和施工工艺。其次，根据不同的桥梁结构，选择合适的桥梁抗震体系，并选取合理的抗震设计分析方法，对桥梁结构薄弱的地方要进行优化设计并采取合理的防震措施，如支座、桥墩构造等，确保结构在地震作用下安全可靠。总之，针对桥梁结构的延性变形、整体稳定性及强度等方面，桥梁设计师应采取多级别的设防措施，保证桥梁不同部位在任何地震作用下能达到预期的设计目标。

4 结 论

从桥梁震害中总结经验，桥梁抗震设计理论逐渐走向成熟，本文对桥梁结构抗震体系和桥梁抗震设计方法的内容和适用范围进行简要阐述，桥梁设计师应结合实际地质情况和抗震级别，综合设计桥梁各个部位，做好结构抗震措施并确保结构安全可靠，为桥梁抗震设计提供一定的参考价值。

参考文献：

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