橋梁抗震與抗風設計理念及設計方法

李博

為解決橋梁建設中的抗震設計與抗風設計問題，本文結合橋梁工程實際情況，在簡述橋梁震害形式的基礎上，對其抗震與抗風設計進行深入分析，提出相應的設計理念與方法，以期為相關人員提供參考。

一、工程概況

X005分離式立交、K221+607.974互通主線、GK0+815.888匝道橋、K222+864.5分離式立交、K224+774.554分離式立交樁基根據實際地質情況選擇旋挖鉆機成孔，采用導管法灌注混凝土。地系梁采用挖掘機進行基坑開挖，大塊鋼模進行澆筑。橋梁墩柱、臺帽采用大塊組合鋼模板，圓柱墩采用定制模型進行澆筑。X005分離式立交30片25m預制箱梁、立交橋30片25m預制箱梁均在一號梁場集中預制，K221+607.974互通主線250片25m、30m預制箱梁、GK0+815.888匝道橋76片25m、30m預制箱梁、K222+864.5分離式立交30片40m預制箱梁、K224+774.554分離式立交80片29m預制箱梁均在二號梁場集中預制。預制采用定型鋼模，在臺座上預制成型；箱梁混凝土一次澆注完成，混凝土澆注成型。箱梁混凝土達到設計強度的100%后，且混凝土齡期不小于7d時，張拉預應力鋼束；施加預應力采用張拉力和伸長量雙控。箱梁架設采用龍門吊調運，運梁平車運輸和履帶吊+汽車吊架設。

K206+423、K214+794.8、K215+465、K220+351.2、CK0+411.6、FK0+615.462、GK0+229.229、K220+351.2、K222+195.5（1-13）橋式通道樁基根據實際地質情況選擇旋挖鉆機成孔，采用導管法灌注混凝土。承臺、地系梁采用挖掘機進行基坑開挖，大塊鋼模進行澆筑。橋梁墩柱、臺帽采用大塊組合鋼模板，圓柱墩采用定制模型，墩身分兩次澆筑，第一次澆筑至中系梁，第二次澆筑至墩頂。蓋梁底模支架采用托架法，托架的承托采用鋼箍，外模采用大塊鋼模，采用吊車作為吊裝設備。鋼筋均在鋼筋集中加工場加工成型后，運至施工現場安裝。K206+423通道橋27片13m預制T梁、K214+794.8通道橋22片13m預制T梁、K215+465通道橋22片13m預制T梁均在一號梁場集中預制，K220+351.2通道橋22片13m預制T梁、CK0+411.6通道橋9片13m預制T梁、FK0+615.462通道橋10片13m預制T梁、GK0+229.229通道橋8片13m預制T梁、K220+351.2通道橋22片13m預制T梁、K222+195.5通道橋31片13m預制T梁均在二號梁場集中預制。T梁預制采用定型鋼模，在臺座上預制成型；T梁混凝土達到設計強度的100%后，且混凝土齡期不小于7d時，張拉預應力鋼束；施加預應力采用張拉力和伸長量雙控。T梁架設采用龍門吊調運，運梁平車運輸和履帶吊+汽車吊架設。

二、橋梁震害形式

根據橋梁歷史震害情況，除斷層和液化等由于地基失效造成的破壞外，對混凝土橋梁而言，還包括以下幾種常見破壞形式：

（1）彎曲破壞

橋梁結構受水平方向地震荷載持續作用后因產生明顯變形使混凝土保護層發生脫落，或鋼筋壓屈，或內部混凝土發生崩裂或被壓碎，導致結構喪失應有的承載力。該過程包含下列四個階段：

第一階段為在彎矩水平達到開裂強度后，在截面產生沿水平方向分布的彎曲裂縫；

第二階段為伴隨裂縫不斷發展與荷載強度不斷提高，布置在受拉側的縱向鋼筋受到的強度達到屈服強度；

第三階段為伴隨變形量不斷增大，保護層發生脫落，且塑性鉸范圍也明顯增大；

第四階段為鋼筋壓屈或被直接拉斷，導致內部混凝土發生崩裂或被壓碎。

（2）剪切破壞

受水平方向地震荷載持續作用后，結構所受剪切力在達到截面剪切強度后就會出現剪切破壞，該破壞過程包含下列四個階段：

第一階段為截面彎矩強度達到開裂或，在截面上會出現沿水平方向分布的彎曲裂縫；

第二階段為伴隨裂縫不斷發展以及荷載強度不斷提高，將在柱內產生沿斜向分布的剪切裂縫；

第三階段為局部產生的剪切裂縫不斷增大，由于箍筋屈服使剪切裂縫顯著增大；

第四階段為出現脆性剪切破壞。

（3）落梁破壞

如果梁體沿水平方向發生的位移超出梁端有效支撐長度，就有可能發生這種破壞。該破壞的產生原因為梁和橋墩之間產生了很大相對位移，導致支座失去應有的約束能力。

（4）支座損傷

上部結構受到的地震慣性力會在支座作用下不斷傳遞至下部結構，如果傳遞的荷載超出支座自身設計強度，則會使支座產生損傷與破壞。如果支座損傷，將造成落梁破壞。對橋梁的下部結構，一旦支座發生損傷能防止上部結構在地震荷載作用下發生破壞。

三、橋梁抗震設計理念與方法

通過科學的抗震設計，能將橋梁震害降至最低，這就要求通過設計使橋梁結構的延性、強度與剛度等技術指標達到最佳組合，進而使結構體系達到經濟，實現預期的抗震目標。要想真正實現這一目標，需要設計人員充分了解地震對橋梁結構造成的影響，同時還要具備一定創造力與相關經驗，而并非完全按照規范要求執行。橋梁抗震設計理念與方法主要包含以下內容：

（1）場地選擇

除了要通過對地震危險性進行的分析選擇安全度較高的廠址，還要充分考慮地區范圍內場地選擇。對此應遵循以下各項基本原則：不選擇地震發生后產生失效的場地，優先選擇堅硬的場地。在地基達到穩定的基礎上，還應充分考慮橋梁結構和地基之間的振動特性，盡可能減少共振可能造成的影響。對于軟弱地基，在設計過程中要注意保證基礎整體性，避免地震造成不均勻變形現象發生。

（2）結構體系整體性與規則性

橋梁有良好的整體性，其上部結構必然保持連續。良好的整體性能有效防止結構構件因受到地震作用而產生掉落，并且這也是使結構最大限度發揮出應有空間作用的前提條件。不論在平面或在立面，結構布置都應使幾何尺寸、質量與剛度達到均勻、對稱和規整，防止突然變化。

（3）能力設計原則

傳統的設計思想提出，良好的設計應能使結構不同構件有相近的安全度，也就是結構中不能有薄弱環節存在。然而，因結構不同構件有不同的重要程度，這種傳統的設計思想不完全適用，特別是對抗震結構而言。而能力設計思想注重的是強度安全度存在的差異，也就是在不同構件與破壞模式之間找出強度安全度及其存在的差異。根據這種差異，保證結構在受到大地震作用后能以延性的方式作出反應，避免脆性破壞。在我國過去的抗震設計過程中，大多采用以下幾種設計思想：強柱弱梁、強剪弱彎和強節點弱構件，該思想實際上就是能力設計原則主要體現。

（4）多道抗震防線

通過抗震設計應能使橋梁整體成為一個可提供多道抗震側力的結構體系，在受到強地震作用后，如果一道防線被突破，應能有第二道防線繼續支撐整個結構，防止結構倒塌。基于此，超靜定結構必然優于類型一致的靜定結構。而對建筑結構而言，橋梁在此方面可充分利用的空間一般并不大。

（5）抗震概念設計

對于橋梁抗震設計，主要包含以下兩方面范疇，即概念設計與參數設計。其中，概念設計指的是從概念角度入手確定抗震決策；而參數設計指的是通過計算和驗算等給出具體的抗震決策。長時間以來，設計人員開始認識到盡管計算得如此精確，只要結構方案不合適，或構造措施不合理，仍然無法達到預期的抗震水平和能力，這使得相關領域的人員開始認識到概念設計的重要意義。但需要注意，概念設計與參數設計往往相輔相成，要想保證最終的抗震設計效果，必須對概念設計引起足夠的重視，對抗震設計思想進行靈活運營，不可盲目計算。

（6）提高結構延性

地震發生時造成的剪切破壞是導致橋梁結構產生致命破壞的主要原因，該破壞形式較為多見，是典型的脆性破壞。基于此，對結構延性進行改善是提高橋梁結構自身抗震性能的關鍵所在，必須引起設計人員的高度重視。為有效提高橋梁中抵抗慣性力影響的能力，避免結構發生損傷后造成倒塌，對橋梁的鋼筋混凝土結構而言，可采取下列措施來改善結構延性：提高套箍效應、防止脆性剪切破壞發生和對損失截面進行嚴格控制。

（7）減隔震措施應用

減隔震是指充分利用結構自身振動周期特性與阻尼特性來有效減輕地震荷載，也就是通過提高阻尼與長周期化來吸收地震給結構施加的能量，進而降低地震荷載強度。就目前來看，已經出現很多減隔震措施，較為常用的有高阻尼疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、滑動支座與各類阻尼裝置等，同時都已經在抗震設計過程中得到廣泛應用。尤其是前兩者，在很多國家的抗震設計領域都實現了廣泛普及。

四、橋梁抗風設計理念與方法

橋梁設計根本目的在于保證結構體系的安全性與可靠性，使結構的強度和剛度符合要求，橋梁抗風設計自然也不例外，在設計的抗風設計過程中，需要注重以下幾方面理念和方法。

（1）在橋梁設計確定的使用年限之內，在橋梁所在位置可能產生的最大風速條件下，橋梁主體結構不能產生可造成損毀的自激發散振動。

（2）在橋梁設計風荷載和其它類型作用的影響下，結構必須具備足夠的抵抗強度與剛度，同時不能產生靜力失穩的現象。

（3）對于結構自身的非破壞性風致振動，其振幅不能超過保證行車安全的極限值，同時還應盡量減小結構疲勞與對行車舒適性造成的影響。

（4）結構自身抗風能力可在設計過程中采取以下措施來提高：機械、氣動或結構措施。

在自然風作用下會產生風致振動，對此在實際的抗風設計過程中應確保導致會造成危險的馳振或顫振發生的臨界風速和橋梁設計風速比較有充足安全度，只有這樣才能保證結構在不同階段都表現出應有的抗風穩定性。此外，還應將渦激共振與抖振均控制在允許范圍之內，防止結構疲勞或人感不適。

如果橋梁制定的最初方案無法滿足抗風方面的要求，需要通過對設計的適當修改或引入一系列控制措施來提高結構體系自身抗風穩定性，同時降低由于風致振動產生的振幅。

在橋梁設計工作不同階段，可結合實際情況針對不同精度要求進行抗風設計，或通過風洞試驗來確定抗風設計方案。對普通大橋而言，在初步設計過程中，抗風分析可按照近似公式進行計算來確定不同方案對應的靜風載內力與氣動穩定性，在確定了初步方案以后，采用風洞試驗的方法確定各項技術參數，完成抗風驗算及風振分析。而對重要程度較高的橋梁而言，需要在初步設計過程中采用風洞試驗的方法完成氣動選型，以此為主梁斷面形式的選擇提供可靠依據。在橋梁的技術設計過程中，要對所選斷面形式做詳細深入的驗算及分析，同時還要采用模型試驗方法來確認最終分析結果。

根據以往的設計經驗，在實際的抗風設計過程中，應掌握下列幾項因素，從而更好的分析并把握設計全局：（1）風特性參數：采用調查并廣泛收集當地氣象資料掌握，根據收集到的信息確定合理的技術參數，以供抗風設計工作使用；（2）橋梁動力特性，這是做好風振分析的重要基礎，需建立適宜的力學模型，同時注意處理邊界支撐條件；（3）顫振臨界風速，即橋梁產生發散性顫振現象的起始風速；（4）抖振響應，抖振使受到紊流風持續作用后產生的隨機振動，屬于強迫振動范疇。

五、結語

綜上所述，抗震與抗風設計都是橋梁設計的主要工作內容，對保證橋梁結構安全和可靠都有重要意義，以上對橋梁結構的抗震和抗風設計進行了初步分析與總結，提出相應的設計理念與方法，旨在為實際的橋梁設計提供技術參考，保證抗震與抗風設計效果。