淺談大跨度橋梁的結構抗震設計

趙慧芳

(河北省唐山市交通勘察設計院有限公司)

1 抗震設計原則

(1)橋梁抗震設計，應結合地形、地質條件、工程規模及震害經驗，選擇合理的橋型及墩臺、基礎型式;(2)利于抗震，同一座橋中，盡量避免高墩與大跨的結合，橋梁宜采用減少上部結構自重并有利于抗震的結構形式;(3)橋梁宜體形簡單、自重輕、剛度和質量分布均勻、重心低、便于施工。在構造上盡量避免截面突變及“頭重腳輕”的現象。大跨度鋼桁梁、空心橋墩是地震區橋梁設計的重點;(4)橋梁宜采用有利于提高結構整體性的連接方式，墩臺結構采取提高其延性、震動衰減快的相關措施，必要時設置減隔震支座，塑性鉸等防震裝置;(5)橋梁宜盡可能采用技術先進、經濟合理、便于修復加固的結構體系;(6)在抗震、防震措施方面，應進一步開展減震、隔震支座的研究和應用;加強鋼筋混凝上橋墩的延性分析與計算，確定橋墩塑性鉸區域的范圍;(7)對于高墩、大跨的特殊橋梁，應進行專題抗震設計與研究。

2 抗震設計方法

2.1 基于強度的設計方法

基于強度的設計方法包括:靜力法、反應譜法、時程分析法。

靜力法始創于意大利，發展于日本。1900年大森房吉提出了地震烈度表的概念，靜力等效水平最大加速度αmax作為地震烈度的絕對指標，提出結構物所受地震力F可寫為如下形式

式中:W為結構物各部分重量;k為地面運動加速度峰值αmax與重力加速度g的比值，稱為地震系數。

靜力法假設結構物各部分與地震動具有相同的振動規律。結構因地震力引起的慣性力等于地面運動加速度與結構總質量的乘積，以此慣性力作為靜力施加于結構，進行結構線彈性靜力分析。從動力學理論看，該法的缺陷在于，忽略了結構物本身的動力特性。只有當結構近似于剛體時，彈性靜力法才能近似成立。

反應譜法則考慮了結構動力特性與地震動特性之間的動力關系，又保持了原有靜力理論的形式。將實測地震波代入單自由度動力反應方程，計算出各自最大彈性地震反應，從而得出結構最大地震反應與結構自振周期的關系曲線。由反應譜可計算最大地震作用，再按靜力法計算地震反應。反應譜分析雖然考慮了結構的動力特性，但在分析中仍把地震慣性力看作靜力，因此只能稱為準動力分析。反應譜理論與結構振型分解法結合，建立了振型分解反應譜法，從而解決了復雜多自由度體系地震反應分析的問題。利用振型正交性和振型分解原理進行解耦，使之轉化為求解獨立的相當于單自由度體系的運動方程。

建立在有限元等數值方法求解基礎上的非線性時程分析法，是目前評價橋梁地震行為中相對而言最成熟、最完善的方法。但是該方法在現有橋梁抗震性能評價的應用中還是存在著一些問題。非線性時程分析方法的技術復雜，計算工作量大，結果處理繁雜，并且結果的準確性很大程度上都依賴于輸人的地震波，然而在同一地區不可能發生完全相同的兩次地震。所以時程分析所選用的地震波實際上不能真正反映該地區未來可能發生的地震作用情況，分析結果具有較大的偶然性。而且采用數值計算復雜工程還與計算者的數值計算基礎，數據處理能力有很大的關系。

2.2 基于性能的設計方法

基于性能的設計方法主要包括推倒分析法、能力譜法、基于位移的設計方法以及基于地震損傷性能的設計方法等。

建立在對目標位移或形成機構的思想上的塑性倒塌機構(推倒)分析方法，體現的是基于結構位移性能的抗震思想，其本質上是一種與反應譜相結合的靜力彈塑性分析法，它是按一定的水平荷載加載方式，對結構施加單調遞增的水平荷載，逐步將結構推至一個給定的目標位移來研究分析結構的非線形性能，從而判斷結構及構件的變形、受力是否滿足設計要求。其優點突出體現在:與振型分解反應譜法相比較，它考慮了結構的彈塑性特性;與時程分析法相比較，其輸人數據簡單，工作量較小。

3 橋梁抗震設計措施

(1)橋位應選擇在具有良好的地基和穩定的河岸或坡谷地段，以保證橋梁有良好的抗震能力。橋孔布置宜選用等跨，橋臺宜采用T形或U形橋臺;(2)當橋位難以避免的處于液化土或軟土地基上時，橋梁中線應與河流正交。位于液化土或軟土地基上的特大橋、大中橋，應適當增加橋長，使橋臺位于穩定的河岸上，避免地震時橋臺向河心滑移而造成震害;(3)位于常年有水河流上的特大橋、大中橋，當地基為液化土或軟土時，其墩臺基礎應采用樁基礎，且樁尖埋入穩定土層內一定深度;(4)墩臺基礎不應置于嚴重破碎帶上，特殊困難情況下應評價基礎的穩定性;(5)墩臺頂帽上均應設置防比落梁措施;(6)位于地震后可能形成泥石流溝谷上的橋梁，孔跨和橋下凈高宜根據流域內的地形地質情況酌情加大;(7)位于地震區的拱橋盡量避免跨越斷層，特殊困難情況下應進行地震安全性評價;(8)高墩宜采用鋼筋混凝上結構，按照延性要求進行設計。在橋墩塑性鉸區域及緊接承臺下樁基的適當范圍內應加強箍筋配置。

4 大跨度橋梁設計中應注意的幾個問題

(1)對采用樁基的大跨度梁橋，合理地選用樁-土結構相互作用模型對動力計算結果至關重要;(2)對采用樁基的大跨度梁橋，在結構初設階段，可以根據內力反應包絡圖和結構設計圖紙，判斷出預期會出現塑性鉸的部位;(3)大跨度拱橋結構主拱的軸壓比一般都比較高，延性設計比較困難，所以大跨度拱橋抗震設計不宜過分依賴延性抗震;(4)大跨度拱橋的結構構造比較復雜，一般需要采用反映譜分析和時程分析兩種方法互相校核;(5)大跨度拱橋反映譜分析時，應至少考慮兩種地震動輸入方式。即縱橋向+豎向輸入和橫橋向+豎向輸入，其中豎向反映譜值取水平反映譜值的2/3;(6)大跨度拱橋時程分析時，地震波應至少考慮三種輸入方式。

[1] 楊文淵.橋梁施工工程師手冊.北京:人民交通出版社，1995.

[2] 劉文仕.橋梁抗震設計方法綜述[J].中國水運，2008，8(6):225-226.

[3] 占海林，李捷.橋梁抗震設計計算方法簡介[J].甘肅科技，2005，21(8):145-146.

[4] 彭強.青藏鐵路9度地震區橋梁抗震設計淺析[J].橋梁建設，2005，5:68-70.