橋梁震害及抗震設計方法概述

姜全成

(山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南 250101)

地震、風、船舶撞擊等因素都會引起橋梁的振動破壞甚至倒塌。事實證明，世界上由于地震襲擊而毀壞的橋梁數量，遠多于風振、船撞等其他原因而破壞的橋梁。所以，我們必須高度重視橋梁的震害，并通過抗震設計的方法減小地震對橋梁的破壞。傳統的抗震設計理論是基于強度進行設計，而基于性能的抗震理論是橋梁抗震研究發展的方向。

1 橋梁震害

地震具有突發性，其持續時間短而釋放的能量大。1971年美國圣費南多地震，1976年中國唐山地震，1989年美國洛馬普里埃塔地震，1994年美國北嶺地震，1995年日本神戶地震，1999年中國臺灣集集地震，1999年土耳其Kocaeri地震，2008年中國汶川地震等對橋梁結構造成了很大破壞。通過對地震后橋梁破壞狀況的大量調查研究，發現橋梁震害主要有以下四個方面：(1)橋梁上部結構的震害。這種震害相對少見，主要發生在地基和施工質量較差的情況。(2)支座的震害。支座是橋梁整體抗震中的薄弱環節，主要原因是支座設計沒有充分考慮抗震的要求，構造上連接與支擋等構造措施不足，某些支座型式和材料的缺陷等。(3)落梁的震害。落梁大都發生在順橋向，橫橋向的落梁較少見。主要原因有：橋臺傾斜或倒塌、河岸滑坡、地基下沉、橋墩破壞、支座破壞、梁體碰撞、相鄰墩發生過大相對位移等。(4)下部結構和基礎的震害。下部結構和基礎的嚴重破壞是導致橋梁倒塌，并在震后難以修復使用的主要原因。橋梁墩臺因為沙土液化、地基下沉、岸坡滑移或開裂引起的破壞很難采用加強它們的抗震能力來避免，應該在橋址、橋型、結構布置選擇上加以避免。

對于橋梁的震害主要通過三個方面加以防范：(1)規定橋址與橋型的選擇原則以及處理對策，從宏觀上控制橋梁震害的發生。(2)通過對橋梁進行合理的抗震設計，增強其抗震能力。(3)提供各種構造措施的處理原則與方法加強結構整體的抗震能力。

2 橋梁抗震設計方法

目前，橋梁抗震設計方法主要有以下三種。

2.1 靜力法

W為結構物各部分重量；

g為標準自由落體加速度；

K為地面運動加速度峰值與標準自由落體加速度g的比值。

靜力法的主要缺點是把地震動加速度視為地震破壞的唯一因素，忽略了結構的動力特性。只有當結構物的基本固有周期遠小于地面運動的卓越周期時，結構物在地震振動時才可以被視為剛體，靜力法才能適用，超出這個范圍，就不可能適用[1]。

2.2 動力反應譜法

1948年G. W. Houser提出基于反應譜理論的抗震計算的動力法。地震振動反應譜是指位移反應譜、擬速度反應譜和擬加速度反應譜。應用反應譜理論計算地震力的公式為：

g為標準自由落體加速度；

W為體系的總重量；

為了考慮結構的延性耗能作用，引入了結構綜合影響系數Cz，則地震力計算公式變為：P=Cz·kH·β·W

2.3 動力時程法

直接輸入地震加速度時程作為地震荷載，即動力時程法。地震加速度時程可以通過三種方法得到：進行地震危險性分析，得到人工地震加速度時程作為地震輸入荷載；利用結構物所在場地附近同類地質條件下的地震記錄；利用國際上常用的地震加速度記錄。地震波的輸入形式一般采取同步單點輸入，必要時可以考慮不同步單點輸入，或者同步、不同步多點輸入。每個輸入點的地震加速度時程可以是相同的或不同的[2]。

3 橋梁抗震設計方法的發展

早期的結構抗震理論采用的是靜力法，忽略了結構和場地土的動力特性，是一種基于強度控制的一階段抗震設計方法。后來的反應譜理論雖然引入了結構綜合影響數Cz來考慮結構延性的影響，但從根本上仍然是以強度控制為主。一階段抗震設計方法的根本缺陷是沒有正確考慮結構延性對抗震的貢獻，給人一種只要增加結構強度就能提高結構抗震能力的錯覺。動力時程法使橋梁抗震由單純由強度控制轉為強度和延性共同控制，并且可以考慮非線性、結構-基礎-土的共同作用等，為二階段結構抗震方法的建立提供了基礎。結構二階段抗震設計的思想通過三水準二階段的設計來具體實施。三水準是指：小震不壞、中震可修、大震不倒。二階段設計是指：(1)在多遇地震作用下，結構物保持不壞，或允許輕度破壞，但經過簡單維修后即可使用。此時結構處于彈性工作范圍，或少量進入塑性狀態，以強度控制作為破壞準則。(2)在罕遇地震作用下時，允許結構發生塑性破壞，但不能發生結構倒塌。此時結構處于塑性范圍，以結構的延性作為破壞準則。

為了實現兩階段的抗震設計理念，人們提出了基于性能的抗震設計方法。基于性能的抗震設計方法可以通過控制結構的位移來實現，這便是直接基于位移的抗震設計方法(direct displacement — based seismic design method)。直接基于位移的抗震設計是直接以位移為設計參數，針對不同地震設防水準，制定相應的目標位移，并且通過設計，使得結構在給定水準地震作用下達到預先指定的目標位移，從而實現對結構地震行為的控制。直接基于位移的抗震設計理論主要包括三個方面:直接基于位移的抗震設計方法、位移需求估計方法和目標位移的確定[3]。其中位移需求可以通過直接利用彈性位移反應譜、等效線性法、能力譜法、非線性地震時程分析法等得到。

4 結束語

地震對橋梁的危害是巨大的，人類認識地震對結構破壞機理的道路是曲折的。通過結構抗震工程師的不斷努力，找到一種合理的結構抗震理論，提高結構抗震設計的安全性和經濟性是人們正在不斷追求的目標。