橋梁抗震與抗風設計理念及設計方法

鐘立飛

揚州市城市規劃設計研究院有限責任公司 225002

摘要：本文主要從國內外有關橋梁抗風、抗震的現狀、設計理念進行研究。重視橋梁工程的管理，加強橋梁建設，尤其抗震、抗風等多個方面的研究。以科學、賦予實踐的角度重點分析橋梁抗震與抗風設計理念及方法。

關鍵詞：橋梁；設計理念；設計方法；安全與防范；抗風與抗震

隨著我國經濟實力、科學技術迅速發展，人們對橋梁的抗震性、抗風災的要求越來越高。然而，風災與地震近幾年時有發生，對當地居民的生命構成嚴重的威脅。需要相關設計研究人員加以重視，認真反思各種災害，積極歸納與思考，科學的、合理的對待，探索出科學、符合實際的設計方法。以下主要從國內外有關橋梁抗風、抗震的現狀作為出發點，展開一系列討論。

一、國內外有關橋梁抗風與抗震的現狀與研究

（一）分析國內外有關橋梁抗風的現狀

目前，全球發生風災與地震的概率比往年增加了好幾倍，需要引起研究人員加以重視。從橋梁抗風現狀來看，眾所周知，風災在自然環境中頻繁發生，導致風對橋梁的損壞，原因有很多種，不僅僅是風災本身，也有橋梁自身設計的質量因素等。一旦橋梁遭受損壞，必然對交通構成嚴重的影響，甚至威脅人們的生命安全，乃至橋毀人亡的悲劇發生。自1940年，美國華盛頓州的某一座橋經風速不到20m/s的強烈風致震動以致橋毀，才引起人們深入研究橋梁抗風工程。例如，日本學者Sakata發表“基于實測氣動導數分析橋梁斷面穩定性的研究”、Sear發表有關“薄翼顫振及其豎向正弦脈動風中行為”、“機翼與橋面顫振導數”等相關論文，從風致振動展開一系列的研究。直到1970末，有關橋梁顫振理論的節段模型風洞試驗才得到驗證；

（二）分析國內外有關橋梁抗震的現狀

從橋梁抗震現狀來看，國內外已經發生多起大地震，例如我國的唐山、汶川大地震，美國的北嶺、圣費南多與洛馬地震等均對當地地區的房屋、橋梁、路面等造成極大的破壞，嚴重破壞了當地的交通，繼而研究人員應該重視橋梁抗震設計。經多方研究，有關抗震理論一般是針對中、小跨徑橋梁的試驗研究，中、小跨徑橋梁普遍較為剛性，經外部地震沖擊下，容易對其結構內力具有較大的反應。一般有兩種方法進行抗震，其一，利用選定部位的塑性變形進而逐漸消耗外部地震能量，最大程度降低其反應力。其二，利用裝設減隔震裝置以消耗地震能量，降低其反應力。國內外對抗震延性設計，一般采用強度折減系數進行相關研究。同時，越來越多的學者提出了不同的設計思想，并漸漸認同未來的抗震設計應該基于性能，例如“基于位移設計法”，將重點致于結構位移方面。以早期“強度研究”漸漸轉變為“性能研究”。而針對大跨徑橋梁而言，需要考慮其地震反應特性與分析方法，然而有關多點激振、地震易損性、行波效應等多個問題依然還有待解決。隨著橋梁的跨度漸漸增大，其結構也逐漸變得更柔，位移也呈現逐年增大的趨勢，近幾年，針對大跨度位移，有關研究人員已考慮到利用減小位移裝置，可增設擋塊、減震支座等。如今，一般采用高阻尼的彈性限位裝置對縱飄位移加以限制。

二、國內外橋梁抗風與抗震的設計理念與方法

（一）橋梁抗風、抗震的設計理念

為了確保橋梁能夠增強抗風與抗震的能力，確保其結構的可靠性與安全性，并應有相應的剛度、強度以及良好的穩定性，需要遵守以下抗風與抗震的設計原則。

1、橋梁抗風設計理念的研究

而言，需①在設計風荷載和其他作用相互組合下，必須符合相關規定的強度以及剛度，不應發生靜力失穩現象；②使用期限內，橋位所在的區域出現最大風速的情況下，橋梁結構不應該出現毀壞性，自激發散振動。

2、橋梁抗震設計理念的研究

為了保證橋梁工程的設計與整體施工的質量的合理性，應該依據附近環境因素以及橋梁工程的具體實際情況，綜合、全面的分析并加以優化。①場地因素：場地的安全性是主要因素，在其基礎之上，最大程度避免發生地震時損壞地基，設計人員應該考慮堅硬的場地，例如碎石類、基巖以及不穩定斜坡等地段，均為危險率極高的場所，地基十分不穩定，應該重點研究科學的處理與加固方法。②規律與整體性：在設計橋梁的過程中，應該重視橋梁的整體性，確保上部結構是連續性的。因為，如果橋梁過于整體，則能夠很好的防治（非）結構構件，以便處于地震的過程中，避免掉落，導致橋梁倒塌。此外，無論是在平立面，設計人員也應重視橋梁結構的布置必須幾何尺寸、剛度與質量十分對稱以及均勻，以防變化。

（二）橋梁地震、風致震動的破壞性形式與設計方法

1、橋梁地震的破壞性形式與設計方法

近幾十年以來，依據過往地震的破壞情況來分析，排除斷層、液化等造成的巨大破壞以為，目前，混凝土橋梁比較常見的破壞形式有：其一，在水平地震荷載作用下，橋梁結構的變形容易造成混凝土保護層的脫落；其二，由于鋼筋壓力與內部混凝土壓強不足，以致橋梁結構失去承載力，發生崩裂。因此，設計人員一方面，必須預計橋梁整體的抗震性、剛度與強度。依據相關問題進行全方面的防治，從而能夠有效解決并及時預防。場地應該選擇穩定性、天然地基十分可靠、地段土質好的場地，避開地質活躍層與地震帶；另一方面，設計橋梁應該過于整體，避免混凝土保護層的脫落，整體性越強，無疑大幅度增加抗震屬性。必須確保結構嚴密與整體。同時，設計階段必須驗算橋梁結構在彈塑性范圍之內的變形能力，防治發生地震時橋梁結構出現致命性的破壞，發生坍塌，危及人們的生命安全。

2、橋梁風致震動的破壞形式與設計方法

據調查，風力因素造成橋梁結構發生振動破壞，可分為馳振、顫振、拉索風振、抖振以及渦振。因此，設計人員必須重視橋梁的安全性、耐久性、實用性以及固有穩定性。對主梁有影響的是顫振；對拉索有影響的是馳振；對橋塔有影響的是渦振；和疲勞（主梁舒適）可靠性相互關聯的風振形式對于主梁為抖振。因此，必須遵循相關抗風設計原則。具體而言，其一：如果設計者提升橋梁結構的剛度，無疑能夠很大程度增加固有頻率，繼而臨界風速能夠顯著提高并降低振幅。但是，如果針對大跨度（柔性）結構而言，為了滿足橋梁整體的抗風要求，需要一定程度提升主梁的剛度。其二：橋梁結構的整體質量得到提高，能很好的降低風致振動的振幅，可也會降低固有頻率，最終影響橋梁整體結構。

結束語

綜上所述，為了更好應對橋梁收到地震、風災的損害，研究人員應該依據不同的自然環境與地理位置，正確選擇合適的方法，以人們的生命安全為先，重視橋梁場地因素、規律與整體性因素、抗震性、剛度與強度等，提高整體質量，合理的分析現狀，才能從容的應對地震、風災，探索出科學的設計方法。與此同時，還應不斷借鑒國內外豐富的設計經驗，認真思考橋梁的設計理念與方法，進行設計，還能為后來學者提供參考資料，完善設計，造福社會。

參考文獻：

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