探討橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計

蔡國利

（河北銳馳交通工程咨詢有限公司，河北石家莊 052300）

0 引言

近年來世界各地都發(fā)生了不同程度的地震災(zāi)害，給人們造成了巨大的精神損失和經(jīng)濟(jì)損失，如我國在1976年河北省唐山市發(fā)生了里氏7.8級大地震，造成20萬人死亡，16萬人受傷，唐山市遭到毀滅性破壞；2008年5月12日四川汶川大地震高達(dá)里氏8.0級，導(dǎo)致7萬人死亡，37萬人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上千億元人民幣；2011年3月11日日本海域發(fā)生里氏9.0級高強度地震，造成日本核輻射泄露，宮本縣“嚴(yán)重傷亡”。因此，橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性研究已經(jīng)成為橋梁事業(yè)中不可忽視的問題。

橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性設(shè)計理論最初的研究是靜力彈性設(shè)計、動力彈性設(shè)計，接著動力彈性設(shè)計方法的有效性在社會中得到了廣泛的認(rèn)同，隨后延性設(shè)計、減隔震結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法在世界各國的抗震性設(shè)計規(guī)范中得到不同程度的應(yīng)用。我國的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范也逐步向著彈性設(shè)計、彈塑性設(shè)計方法并存的方向發(fā)展，因此，不僅要了解工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的彈性設(shè)計理論，而且要熟練掌握彈塑性地震相應(yīng)設(shè)計方法在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的應(yīng)用。

1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震概述

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造及類型

橋梁結(jié)構(gòu)一般分為上部結(jié)構(gòu)（分為橋身、橋面和必要的連接結(jié)構(gòu)）和下部結(jié)構(gòu)（分為橋墩、橋臺、支座和基礎(chǔ)），支撐橋身的承重構(gòu)件是橋墩，主要承受豎向恒載，橋身是承受車輛行人荷載的主要構(gòu)件，活動支座允許梁伸縮和轉(zhuǎn)動變形，固定支座允許轉(zhuǎn)動但不允許伸縮。橋梁結(jié)構(gòu)類型分為梁橋、拱式橋、懸索橋、斜拉橋、鋼構(gòu)橋。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)的震害

橋梁結(jié)構(gòu)震害主要有兩種形式：一是場地運動引起的橋梁結(jié)構(gòu)振動，二是場地相對位移產(chǎn)生的強制變形。第一種形式通過慣性力的形式把地震作用施加在橋梁結(jié)構(gòu)上，第二種形式是通過支點強制變形產(chǎn)生的超靜定內(nèi)力或過大的相對變形影響橋梁結(jié)構(gòu)的地震安全性。在地震的作用下橋梁會造到不同程度的破壞，如橋臺橋墩傾斜開裂、支座錨栓剪斷或拉長甚至橋臺橋墩滑移、落梁倒塌。而地震中橋梁破壞有各種形式，以下為幾種具有代表性的破壞形式。

1.2.1橋墩彎曲破壞

彎曲破壞指的是結(jié)構(gòu)的彎曲承載能力低于剪切破壞的承載能力，結(jié)構(gòu)承載能力由抗彎性能起控制作用的破壞形式。因為這種破壞發(fā)生后橋墩的塑性變形吸收地震能量和剛度下降能夠減輕地震作用的強度，所以，這種破壞通?？梢员苊鈽蛄涸诘卣鹬邪l(fā)生倒塌破壞。

1.2.2橋墩剪切破壞

剪切破壞指的是結(jié)構(gòu)彎曲承載能力高于剪切承載能力，結(jié)構(gòu)的承載力完全由剪切強度控制的破壞形式。發(fā)生地震時，剪切破壞是導(dǎo)致橋梁遭受嚴(yán)重破壞的主要形式，這種破壞比較常見。

1.2.3支座破壞

支座破壞是橋梁上部結(jié)構(gòu)遭受破壞的最常見的一種破壞形式，這種破壞形式也是引起落梁破壞的主要原因，但是支座損傷可以避免上部結(jié)構(gòu)的地震影響傳到橋墩，使橋墩免遭破壞。

1.2.4落梁破壞

落梁破壞指的是無約束活動節(jié)點處的位移過大使得橋跨在縱向的相對位移要比支座長度長，從而引起橋梁破壞。這種破壞在高墩柱的多跨連續(xù)梁中經(jīng)常發(fā)生，這是因為梁與橋墩的相對位移過大，支座喪失約束能力后就會引起破壞。

2 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)的抗震計算的地震力理論經(jīng)歷了三個階段：靜力法、反應(yīng)譜理論、動態(tài)時程分析法。地震力理論又叫做地震作用理論，它是研究地震時地面運動對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的動態(tài)效應(yīng)。我國橋梁的抗震設(shè)計正在向著彈性設(shè)計、彈塑性設(shè)計并存的方向發(fā)展。以下為橋梁抗震設(shè)計的各種理論。

2.1 靜力法

早在1899年，日本大房森吉就提出了靜力法的概念，這種方法假設(shè)結(jié)構(gòu)物的各個部分與地震動具有相同的震動，這時結(jié)構(gòu)物上只作用在地面上的運動加速度乘上結(jié)構(gòu)物質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力，這種慣性力視作靜力作用于結(jié)構(gòu)物作抗震計算。

2.2 反應(yīng)譜法

1943年時M.A.Biot提出了反應(yīng)譜概念，給出世界上第一個彈性反應(yīng)譜。反應(yīng)譜指的是在某一給定的地震動作用下，單自由度體系反映的最大絕對值與自振周期、阻尼比之間的關(guān)系。反應(yīng)譜法也有自身的缺陷：只適應(yīng)于彈性分析；只能得到最大反應(yīng)；多陣型反應(yīng)譜法存在振型組合的問題。

2.3 動態(tài)時程分析

20世紀(jì)60年代，在重要的建筑物、大跨度橋梁和其他特殊結(jié)構(gòu)物采用多節(jié)點、多自由度的結(jié)構(gòu)有限元動力計算模式，把地震強迫振動的激振-地震加速度時程直接輸入，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震時程反映分析，這統(tǒng)稱為動態(tài)時程分析。動態(tài)時程分析法可以考慮各種不同的因素，使結(jié)構(gòu)抗震計算分析的結(jié)果更加符合實際震害現(xiàn)象。

2.4 其他抗震設(shè)計法

20世紀(jì)50年代隨機振動方法被人們廣泛認(rèn)為是一種較為先進(jìn)合理的方法，在此提出了虛擬激勵法，成為有效利用隨機振動方法的實踐依據(jù)。1975年一種簡單實用又比較可靠的抗震設(shè)計方法-靜力彈塑性分析方法（Pushover分析方法）被Freeman等提出，20世紀(jì)90年代以后，這種分析方法引起了地震工程界的關(guān)注。

3 中日抗震設(shè)計規(guī)范的比較分析

2008年8月我國交通運輸部發(fā)布了公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則，但有一些規(guī)定的可操作性不是很強，同時頒布了《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》，這是以行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)的形式發(fā)布，與通用設(shè)計規(guī)范等其他橋規(guī)的地位之間還有一定的不同。1996年日本對橋梁結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范進(jìn)行了更新，對罕遇地震作用增加了內(nèi)陸直下型地震，地震最大強度達(dá)1.5 g～2.0 g,再次強化了彈塑性數(shù)值計算的地位。2002年日本對抗震設(shè)計的一些具體要求進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)化。

3.1 橋梁的抗震設(shè)防類別

我國根據(jù)橋梁的規(guī)模和所在道路的重要性將橋梁的抗震設(shè)防類別分為A、B、C、D四類，規(guī)模和重要性由高到底來劃分的；日本根據(jù)橋梁的抗震性能高低劃分為A、B兩類，B類是抗震性能較高的橋。

3.2 抗震設(shè)計類別

我國的A、B、C類橋要根據(jù)地震發(fā)生的頻率高低來進(jìn)行抗震設(shè)計，D類橋必須進(jìn)行多遇地震的抗震設(shè)計；日本規(guī)定橋梁的設(shè)計必須根據(jù)地震發(fā)生的頻率高低進(jìn)行抗震設(shè)計，因為日本是一個地震多發(fā)的發(fā)達(dá)國家。

3.3 抗震設(shè)防目標(biāo)

我國規(guī)定在多遇地震下的橋梁一般不受損或不需要修復(fù)可繼續(xù)使用，日本規(guī)定在多遇地震下的橋梁的健全性沒有損害，兩國規(guī)定基本一致。

3.4 橋梁結(jié)構(gòu)形式

日本明確規(guī)定了幾種抗震設(shè)計上應(yīng)采用的橋梁結(jié)構(gòu)形式和盡力避免采用的結(jié)構(gòu)形式，相比之下，我國的水平分散結(jié)構(gòu)的應(yīng)用還不普遍。

[1]李建華.工程結(jié)構(gòu)抗震可靠度使用分析方法的研究[D]，上海：同濟(jì)大學(xué)，2004.

[2]柳春光，李宏男，等.生命線地震工程導(dǎo)論[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2005.

[3]李杰，李國強.地震工程學(xué)導(dǎo)論[M].北京，地震出版社，1992.