橋梁抗震設(shè)計(jì)方法綜述

姜 寧

（河北省邯鄲市交通運(yùn)輸局城郊公路養(yǎng)護(hù)處，河北 邯鄲056002）

0 引言

由于我國很多地區(qū)處于地震多發(fā)帶，因此，很多橋梁在設(shè)計(jì)過程中，必須要預(yù)先考慮到橋梁的抗震性能。隨著我國對(duì)于引發(fā)地震的機(jī)理，地震波的傳遞特征和地震波作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)的特點(diǎn)、破壞特征、結(jié)構(gòu)的抗震能力的研究和探索的不斷深入，我國橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)方法有了長足的發(fā)展。目前，我國橋梁抗震設(shè)計(jì)方法主要是基于強(qiáng)度、位移、能量、性能和概率性的抗震分析法。

1 基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)法

基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)法，主要包括靜力法和反應(yīng)譜法等。

靜力法由意大利人首先提出，后在日本得到了發(fā)展和推廣。1900 年，大森房古提出了關(guān)于地震烈度表的概念，將地震烈度的絕對(duì)指標(biāo)，利用靜力等效水平最大加速度amax表示。同時(shí)，提出了結(jié)構(gòu)物所受地震力的表達(dá)式：

式中：W為結(jié)構(gòu)物的重量；amax為地表運(yùn)動(dòng)加速峰值；g為重量加速度；k為地震系數(shù)。

由于靜力法假設(shè)結(jié)構(gòu)物與地震具有相同的振動(dòng)規(guī)律，因此，由地震力引起的構(gòu)造物慣性力就等于地表運(yùn)動(dòng)加速度與結(jié)構(gòu)物質(zhì)量的乘積，將構(gòu)造物的慣性力代替靜力，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行線彈性靜力分析。如果從動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行分析，該方法忽略了結(jié)構(gòu)物自身具有的動(dòng)力特性。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)物近似于剛體時(shí)，彈性靜力法才能夠完全適用。

反應(yīng)譜法則是在保留了靜力分析的同時(shí)，又考慮了地震震動(dòng)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征的關(guān)系。該方法在20 世紀(jì)60 年代就已經(jīng)被各國寫入規(guī)范，至今，世界上仍有許多國家將該方法作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中地震作用計(jì)算的理論基礎(chǔ)，其計(jì)算公式為：

2 基于性能的設(shè)計(jì)法

隨著抗震研究的不斷深入，科研人員逐漸認(rèn)識(shí)到，強(qiáng)度條件無法恰當(dāng)?shù)刈鳛榻Y(jié)構(gòu)抗震能力的評(píng)估指標(biāo)，這是由于材料在強(qiáng)震中往往會(huì)進(jìn)入彈塑性階段，材料的塑性變形會(huì)消耗一部分地震能量，同時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振周期也會(huì)發(fā)生改變，從而改變地震反應(yīng)的特征。塑性階段消耗地震能量的大小和變形情況是判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞的重要因素，并不是完全取決于材料的強(qiáng)度。這是在歷次地震和地震模擬試驗(yàn)中得到證實(shí)的結(jié)論。

基于性能的設(shè)計(jì)法，主要包括倒推分析法、能力譜法、基于位移設(shè)計(jì)法以及地震損傷性能設(shè)計(jì)法等。

倒推分析法就是基于結(jié)構(gòu)位移性能的抗震思想結(jié)合反應(yīng)譜分析的靜力彈塑性分析法。該方法采用一定的水平加載方式，對(duì)結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增的水平荷載，將結(jié)構(gòu)位移推至指定位置，從而研究結(jié)構(gòu)的非線性性能。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：與振型分解反應(yīng)譜法相比較，它考慮了結(jié)構(gòu)的彈塑性特征；與時(shí)程法相比較，它的計(jì)算數(shù)據(jù)簡明，工作量小。

能力譜法是在倒推分析法的基礎(chǔ)之上建立起來的，該方法將加速度-位移格式的結(jié)構(gòu)能力譜與地震需求反應(yīng)譜進(jìn)行比較，可以直觀地判斷出結(jié)構(gòu)的抗震性能。

基于位移設(shè)計(jì)法是將結(jié)構(gòu)允許位移作為判斷指標(biāo)，然后利用結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)的方法。

3 概率性抗震分析法及虛擬激勵(lì)法

隨著人們對(duì)地震研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)由于震源與傳遞介質(zhì)之間的偶然因素等影響非常普遍，地震波的傳遞隨機(jī)性非常強(qiáng)，因此，將地震作為隨機(jī)過程模擬更加符合實(shí)際情況。隨機(jī)反應(yīng)研究是隨機(jī)干擾已知的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)特征，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析結(jié)構(gòu)體系的反應(yīng)特征。

功率譜法是一種基于地震發(fā)生概率的分析方法，該方法有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1）無需尋找振型組合，可以直接利用計(jì)算方差與峰值因子的乘積最大值，數(shù)據(jù)清晰，概念明確。雖然，確定結(jié)構(gòu)體系的峰值因子難度較大，但是，峰值因子是一組數(shù)據(jù)，可以利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的確定。

（2）功率譜只與地震有關(guān)，與結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)無關(guān)。

（3）目前的完全二次方組合（CQC）等反應(yīng)譜組合與人工地震模擬，均采用功率譜作為其中的一道試驗(yàn)環(huán)節(jié)。

在復(fù)雜橋梁模型中，應(yīng)用功率譜法，仍然有很多計(jì)算上的問題沒有解決，因此該方法在橋梁抗震領(lǐng)域并沒有得到廣泛應(yīng)用。

虛擬激勵(lì)法是近幾年不斷探索得出的隨機(jī)響應(yīng)的分析方法，該方法的特點(diǎn)是：將平穩(wěn)的隨機(jī)響應(yīng)分析轉(zhuǎn)化為簡諧響應(yīng)分析，將非平穩(wěn)隨機(jī)響應(yīng)分析轉(zhuǎn)化為具有確定時(shí)間的歷程分析，從而幫助工程技術(shù)人員實(shí)行隨機(jī)振動(dòng)的求解。該方法包含了全部的振型和隨機(jī)激勵(lì)等相關(guān)項(xiàng)。對(duì)于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的工程項(xiàng)目，其計(jì)算效率得到了很大的提高。

4 結(jié)語

目前，在世界各國有很多關(guān)于橋梁抗震的設(shè)計(jì)方法，且各具優(yōu)缺點(diǎn)。其中，大多數(shù)是利用計(jì)算機(jī)的程序化運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際的橋梁工程中，應(yīng)該根據(jù)橋梁的不同設(shè)計(jì)要求和不同種類的設(shè)計(jì)形式選取合適的抗震方法。目前，反應(yīng)譜法和動(dòng)力時(shí)程分析法是在橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為普遍的方法，但是，對(duì)于橋梁的大跨結(jié)構(gòu)和高墩結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)該考慮到行波效應(yīng)與樁-土互相作用的實(shí)際情況，從而建立更加真實(shí)合理的結(jié)構(gòu)模型，以確保橋梁抗震設(shè)計(jì)的有效性。

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