橋梁抗震設計方法綜述

姜 寧

（河北省邯鄲市交通運輸局城郊公路養護處，河北 邯鄲056002）

0 引言

由于我國很多地區處于地震多發帶，因此，很多橋梁在設計過程中，必須要預先考慮到橋梁的抗震性能。隨著我國對于引發地震的機理，地震波的傳遞特征和地震波作用下結構產生的動力響應的特點、破壞特征、結構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計方法有了長足的發展。目前，我國橋梁抗震設計方法主要是基于強度、位移、能量、性能和概率性的抗震分析法。

1 基于強度的設計法

基于強度的設計法，主要包括靜力法和反應譜法等。

靜力法由意大利人首先提出，后在日本得到了發展和推廣。1900 年，大森房古提出了關于地震烈度表的概念，將地震烈度的絕對指標，利用靜力等效水平最大加速度amax表示。同時，提出了結構物所受地震力的表達式：

式中：W為結構物的重量；amax為地表運動加速峰值；g為重量加速度；k為地震系數。

由于靜力法假設結構物與地震具有相同的振動規律，因此，由地震力引起的構造物慣性力就等于地表運動加速度與結構物質量的乘積，將構造物的慣性力代替靜力，進而對結構進行線彈性靜力分析。如果從動力學角度進行分析，該方法忽略了結構物自身具有的動力特性。只有當結構物近似于剛體時，彈性靜力法才能夠完全適用。

反應譜法則是在保留了靜力分析的同時，又考慮了地震震動與結構動力特征的關系。該方法在20 世紀60 年代就已經被各國寫入規范，至今，世界上仍有許多國家將該方法作為結構抗震設計中地震作用計算的理論基礎，其計算公式為：

2 基于性能的設計法

隨著抗震研究的不斷深入，科研人員逐漸認識到，強度條件無法恰當地作為結構抗震能力的評估指標，這是由于材料在強震中往往會進入彈塑性階段，材料的塑性變形會消耗一部分地震能量，同時，結構的自振周期也會發生改變，從而改變地震反應的特征。塑性階段消耗地震能量的大小和變形情況是判斷結構是否發生破壞的重要因素，并不是完全取決于材料的強度。這是在歷次地震和地震模擬試驗中得到證實的結論。

基于性能的設計法，主要包括倒推分析法、能力譜法、基于位移設計法以及地震損傷性能設計法等。

倒推分析法就是基于結構位移性能的抗震思想結合反應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，對結構施加單調遞增的水平荷載，將結構位移推至指定位置，從而研究結構的非線性性能。該方法的優點是：與振型分解反應譜法相比較，它考慮了結構的彈塑性特征；與時程法相比較，它的計算數據簡明，工作量小。

能力譜法是在倒推分析法的基礎之上建立起來的，該方法將加速度-位移格式的結構能力譜與地震需求反應譜進行比較，可以直觀地判斷出結構的抗震性能。

基于位移設計法是將結構允許位移作為判斷指標，然后利用結構的強度進行檢驗的方法。

3 概率性抗震分析法及虛擬激勵法

隨著人們對地震研究的不斷深入，發現由于震源與傳遞介質之間的偶然因素等影響非常普遍，地震波的傳遞隨機性非常強，因此，將地震作為隨機過程模擬更加符合實際情況。隨機反應研究是隨機干擾已知的統計數據特征，進而統計分析結構體系的反應特征。

功率譜法是一種基于地震發生概率的分析方法，該方法有如下幾個優點。

（1）無需尋找振型組合，可以直接利用計算方差與峰值因子的乘積最大值，數據清晰，概念明確。雖然，確定結構體系的峰值因子難度較大，但是，峰值因子是一組數據，可以利用數值模擬技術進行準確的確定。

（2）功率譜只與地震有關，與結構特性的參數無關。

（3）目前的完全二次方組合（CQC）等反應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環節。

在復雜橋梁模型中，應用功率譜法，仍然有很多計算上的問題沒有解決，因此該方法在橋梁抗震領域并沒有得到廣泛應用。

虛擬激勵法是近幾年不斷探索得出的隨機響應的分析方法，該方法的特點是：將平穩的隨機響應分析轉化為簡諧響應分析，將非平穩隨機響應分析轉化為具有確定時間的歷程分析，從而幫助工程技術人員實行隨機振動的求解。該方法包含了全部的振型和隨機激勵等相關項。對于結構比較復雜的工程項目，其計算效率得到了很大的提高。

4 結語

目前，在世界各國有很多關于橋梁抗震的設計方法，且各具優缺點。其中，大多數是利用計算機的程序化運算來實現的。在實際的橋梁工程中，應該根據橋梁的不同設計要求和不同種類的設計形式選取合適的抗震方法。目前，反應譜法和動力時程分析法是在橋梁抗震設計中應用最為普遍的方法，但是，對于橋梁的大跨結構和高墩結構，在應用時程分析法時，應該考慮到行波效應與樁-土互相作用的實際情況，從而建立更加真實合理的結構模型，以確保橋梁抗震設計的有效性。

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