桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法研究

周建波

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430010)

1 引言

在地震力作用下，导致桥梁结构安全性不足，交通网络瘫痪，造成巨大的经济损失现象比比皆是。因此，研究桥梁抗震性能非常重要。目前，我国通过对中小跨径桥梁进行相关试验，模拟桥梁结构在地震力作用下内力的变化规律，最终得到桥梁抗震分为延性抗震和减隔震。桥梁通过减隔震可以耗散能量，降低地震的反应。风荷载对桥梁的影响同样较大，对桥梁造成的病害也是多方面的，但在早期桥梁设计过程中，人们常常忽略风荷载对结构的影响，导致桥梁出现较大震荡，使桥梁出现疲劳破坏。因此，本文研究内容具有一定的意义。

2 桥梁抗震设计理念与方法

2.1 设计理念

2.1.1 抗震概念设计

桥梁抗震设计主要分为概念设计和参数设计。概念设计主要分析方向是结构总体，参数设计是对地震力进行计算、构件性能及结构和支座变形情况进行验算等。技术人员在地震灾害中总结出：结构方案、构造措施不符合要求，即使计算精确程度再高，桥梁的抗震性能也达不到使用要求。因此，人们对抗震概念设计越来越重视。桥梁的概念设计与参数设计二者相辅相成，共同作用[1]。

2.1.2 提高结构延性

地震力产生的剪切破坏属于脆性破坏，会对桥梁造成较大的损坏。因此，改善桥梁结构，提高桥梁的延性和抗震性能非常重要。为保证结构的安全性和正常使用状态，防止桥梁出现倒塌的现象，可对核心混凝土的套箍效应进行提高，进而提高桥梁的抗剪能力，使桥梁结构的延性提高。

2.1.3 变形性能验算

弹性理论对桥梁进行计算时具有一定的局限性，当桥梁出现塑性变形时，该理论不适合进行验算。因此，通过对变形能力进行验算，使结构不会发生致命破坏。

2.1.4 地震响应计算方法的改变

桥梁结构的地震响应属于动力学范畴，对桥梁进行静力计算不能预测结构的地震响应。随着研究的深入，对桥梁的计算已经从静力学向动力学转变，这样可以真实有效地模拟桥梁的地震力学行为。

2.1.5 多阶段设计

弹性设计理论适用范围为桥梁发生弹性变形，对于桥梁的弹塑性变形以及塑性变形不能进行分析，或分析结果不准确。延性设计的应用范围较广，因此，桥梁设计开始向多阶段设计进行转化[2]。

2.2 设计方法

2.2.1 静力法

静力分析的研究与发展较早，但是该理论存在一定的缺点。分析过程中对地面的运动特性和动力特性缺少考虑,将地震产生的动力视为静止的，桥梁的安全程度通过荷载效应与抗力效应进行对比得到。对地面的运动、场地地基考虑较少。

2.2.2 反应谱法

静力学计算分析对于地震作用的影响分析缺点非常明显，根据现阶段已有研究成果提出了新的研究方法——反应谱法。地震在桥梁设计中采用设防烈度来表示可以承受的最大地震作用，桥梁结构地震反应谱法能够最大限度地替代静力计算模型中的不足，动力地震反应谱很好地结合了梁结构的运动特性，静力计算还是采用原始的假定地震荷载进行分析，因此在设计中采用传统地震荷载结合地震反应谱进行分析，能够有效反映出地震对桥梁的实际影响状态。

2.2.3 位移计算法

地震对于桥梁的主要作用是使桥梁产生位移，当桥梁在地震作用下产生的位移足够大时，就会使得桥梁产生开裂等破坏。从位移角度出发，在设计中需要考虑桥梁在震作用下的屈服变形能力是否能满足实际建设需求。地震作用下桥梁产生的位移不能采用强度指标进行衡量，强度指标只适用于分析桥梁脆性、弹性性能。对于位移计算，设计变量的影响因素中结构变形和位移最终计算结果反应在结构强度上，即强度越大，桥梁在受力一定的情况下位移和变形越小，反之强度越小，在受力一定的情况下位移和变形越大。

3 案例分析

3.1 工程概况

本文所依托工程为某大桥，该桥连接2 座城市，桥跨结构为2×100 m+300 m+1 088 m+300 m+2×100 m。桥梁索塔为Y字形，塔高为297.7 m，是世界上最大的斜拉桥之一。桥梁结构受力简图如图1 所示。

图1 桥梁结构受力简图

3.2 模型建立

本桥的结构体系较为复杂，抗震设计主要通过建立桥墩柱质点振动模型对桥墩受力情况进行分析，以确保地震作用对桥梁结构安全生产的影响在可控范围之内。墩柱质点振动模型主要有单质点自由度振动模型、多质点单振型模型、多质点多振型模型3 种。如图2 所示。

图2 墩柱抗震结构模型

3.3 结构体系分析

3.3.1 桥梁地震模型选择

根据现阶段我国对于斜拉桥结构受力特点的研究，斜拉桥跨径较大，属于柔性结构体系，因此在地震作用下桥梁振幅较大，对桥梁产生破坏力较大。总体概括起来主要有3 种工作机理：（1）柔性结构有助于减小地震作用的反应时间，延长结构寿命；（2）增加桥梁阻尼结构，来消耗地震作用产生的位移，减小桥梁地震作用产生的振幅；（3）在正常使用过程中结构刚度较大，跨径较大，荷载对桥梁作用产生的影响较小。

3.3.2 结构体系

基于已有的抗震结构分析理论，本斜拉桥的刚性约束体系、漂浮体系对于桥梁纵横向结构都不是理想的地震分析模型，刚性约束体系分析模型会使得桥梁内力过大，漂浮体系分析模型会造成梁段和塔顶产生较大的位移，主塔相对实际受力较小。

采用漂浮体系分析模型可以适当地增加塔、梁刚度，增加弹性连接体系，能够有效避免这种模型的不足。其次通过加大桥梁塔、梁间的阻尼值，能够有效减小地震作用的影响，选取合适的刚度值，增加弹性连接件的抗震效果，采用弹性连接体系也可以有效减小梁端、塔顶位移，但是相对于阻尼器黏滞参数的选取能够有效延缓加速度、位移值的反应时间，弹性连接件的作用效果有所欠缺，因此采用黏滞阻尼器的抗震效果要比弹性连接抗震效果更加理想。

根据现有的研究资料及斜拉桥横、纵向约束研究分析表明，桥梁抗震设计过程采用黏滞性阻尼器和桥墩上增设滑动摩擦支座可以有效地改善桥梁的抗震性能。

4 桥梁抗风设计理念与方法

4.1 桥梁风荷载可靠性分析

桥梁风荷载的影响主要有脉动风荷载、平均风荷载2 种表述方式。采用随机变量风荷载模型，按照一定的风速统计，并将这种风速进行分析呈现一定的分布规律，此时所采用的风速荷载分析选用平均风荷载。设计过程中没有经过系统统计风速概率变量，而是随机选取风速进行模拟，按照统计学的相关方法，来描述脉动风荷载，通常是用功率谱密度来表示，这种分析方法称为脉动风荷载。

根据桥梁实际风荷载的作用形式常采用的分析模型为：在设计基准期内，对于设计基准风速引起的荷载效应，采用超越失效模式进行主梁风振稳定性、可靠性分析。功能函数取值根据结构抗力与荷载效应的差值选用；根据荷载效应的作用特点，主梁采用风振安全可靠性超越失效模式分析时，桥梁设计刚度、强度是结构抗力的主要决定因素。

桥梁抗风理论模型的目标是通过计算使桥梁达到失效状态极限应力时的风荷载，来确保桥梁在风荷载作用下安全可靠。最常用的是根据失效概率函数模型，通过一次二阶矩阵模型得到临界颤振风速，求得均值和方差。对于大型桥梁结构都会建立一套完整风荷载分析研究体系，本文采用一种最常用的风荷载分析系统进行桥梁可靠性分析。

4.2 桥梁风荷载分析计算方式

顺桥向风荷载（Px）设计理论计算，根据上述分析理论选取式（1）进行计算：

横桥向风荷载(Pz)，根据式（2）进行计算：

式（1）、式（2）中，GVA为等效静阵风顺桥向系数，取1.29；GVT为等效静阵风横桥向系数，取1.16；U10为10 级风速；ρ 为空气密度；Z 为主塔宽度；β 为对应的风力偏角；CDX为拉索顺桥向阻力系数；CDZ为拉索横向阻力系数；B 为主梁体宽度；H 为主梁体高度。

5 结语

本文通过对桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法研究得出以下结论：

1）对桥梁基本设计理念进行分析介绍，更好地为桥梁后期设计奠定基础，重点介绍桥梁地震、风作用下所采用的方法，本文主要采用静力法、反应谱法、位移计算法3 种计算方法，并对各个计算方法优缺点进行了分析。根据桥梁计算分析方法的优缺点以及地震影响桥梁安全性分析，通常采用反应谱结合静力计算的方法进行计算和设计。

2）本文以工程实例为依托，对地震作用下桥梁的受力特点进行重点分析，并采取了有效的工程措施，以减小地震作用对桥梁的影响。根据研究发现，采用黏滞性阻尼器和滑动摩擦支座对抵抗地震作用的效果更好。

3）在桥梁工程实例中，对风荷载作用影响桥梁结构安全的理论方法进行了重点介绍，对实际工程中横桥向、顺桥向风荷载作用的计算方法进行了阐述，以便更好地为桥梁风荷载计算提供完整的理论计算基础，为后续更多的待建斜拉桥的风荷载作用计算提供参考。