探討橋梁結構抗震性能的設計

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生了不同程度的地震災害，給人們造成了巨大的精神損失和經濟損失，如我國在1976年河北省唐山市發生了里氏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里氏8.0級，導致7萬人死亡，37萬人受傷，直接經濟損失達上千億元人民幣；2011年3月11日日本海域發生里氏9.0級高強度地震，造成日本核輻射泄露，宮本縣“嚴重傷亡”。因此，橋梁結構的抗震性研究已經成為橋梁事業中不可忽視的問題。

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

1 橋梁結構抗震概述

1.1 橋梁結構的構造及類型

橋梁結構一般分為上部結構（分為橋身、橋面和必要的連接結構）和下部結構（分為橋墩、橋臺、支座和基礎），支撐橋身的承重構件是橋墩，主要承受豎向恒載，橋身是承受車輛行人荷載的主要構件，活動支座允許梁伸縮和轉動變形，固定支座允許轉動但不允許伸縮。橋梁結構類型分為梁橋、拱式橋、懸索橋、斜拉橋、鋼構橋。

1.2 橋梁結構的震害

橋梁結構震害主要有兩種形式：一是場地運動引起的橋梁結構振動，二是場地相對位移產生的強制變形。第一種形式通過慣性力的形式把地震作用施加在橋梁結構上，第二種形式是通過支點強制變形產生的超靜定內力或過大的相對變形影響橋梁結構的地震安全性。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

彎曲破壞指的是結構的彎曲承載能力低于剪切破壞的承載能力，結構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，這種破壞通常可以避免橋梁在地震中發生倒塌破壞。

1.2.2橋墩剪切破壞

剪切破壞指的是結構彎曲承載能力高于剪切承載能力，結構的承載力完全由剪切強度控制的破壞形式。發生地震時，剪切破壞是導致橋梁遭受嚴重破壞的主要形式，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構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構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梁中經常發生，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 橋梁結構抗震設計

橋梁結構的抗震計算的地震力理論經歷了三個階段：靜力法、反應譜理論、動態時程分析法。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構物產生的動態效應。我國橋梁的抗震設計正在向著彈性設計、彈塑性設計并存的方向發展。以下為橋梁抗震設計的各種理論。

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，這種方法假設結構物的各個部分與地震動具有相同的震動，這時結構物上只作用在地面上的運動加速度乘上結構物質量所產生的慣性力，這種慣性力視作靜力作用于結構物作抗震計算。

2.2 反應譜法

1943年時M.A.Biot提出了反應譜概念，給出世界上第一個彈性反應譜。反應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、阻尼比之間的關系。反應譜法也有自身的缺陷：只適應于彈性分析；只能得到最大反應；多陣型反應譜法存在振型組合的問題。

2.3 動態時程分析

20世紀60年代，在重要的建筑物、大跨度橋梁和其他特殊結構物采用多節點、多自由度的結構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，對結構進行地震時程反映分析，這統稱為動態時程分析。動態時程分析法可以考慮各種不同的因素，使結構抗震計算分析的結果更加符合實際震害現象。

2.4 其他抗震設計法

20世紀50年代隨機振動方法被人們廣泛認為是一種較為先進合理的方法，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。1975年一種簡單實用又比較可靠的抗震設計方法-靜力彈塑性分析方法（Pushover分析方法）被Freeman等提出，20世紀90年代以后，這種分析方法引起了地震工程界的關注。

3 中日抗震設計規范的比較分析

2008年8月我國交通運輸部發布了公路橋梁抗震設計細則，但有一些規定的可操作性不是很強，同時頒布了《公路橋梁抗震設計細則》，這是以行業推薦性標準的形式發布，與通用設計規范等其他橋規的地位之間還有一定的不同。1996年日本對橋梁結構抗震規范進行了更新，對罕遇地震作用增加了內陸直下型地震，地震最大強度達1.5 g～2.0 g,再次強化了彈塑性數值計算的地位。2002年日本對抗震設計的一些具體要求進行了進一步的細化。

3.1 橋梁的抗震設防類別

我國根據橋梁的規模和所在道路的重要性將橋梁的抗震設防類別分為A、B、C、D四類，規模和重要性由高到底來劃分的；日本根據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 抗震設計類別

我國的A、B、C類橋要根據地震發生的頻率高低來進行抗震設計，D類橋必須進行多遇地震的抗震設計；日本規定橋梁的設計必須根據地震發生的頻率高低進行抗震設計，因為日本是一個地震多發的發達國家。

3.3 抗震設防目標

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

3.4 橋梁結構形式

日本明確規定了幾種抗震設計上應采用的橋梁結構形式和盡力避免采用的結構形式，相比之下，我國的水平分散結構的應用還不普遍。

[1]李建華.工程結構抗震可靠度使用分析方法的研究[D]，上海：同濟大學，2004.

[2]柳春光，李宏男，等.生命線地震工程導論[M].大連：大連理工大學出版社，2005.

[3]李杰，李國強.地震工程學導論[M].北京，地震出版社，1992.