浅谈大跨度桥梁的结构抗震设计

赵慧芳

(河北省唐山市交通勘察设计院有限公司)

1 抗震设计原则

(1)桥梁抗震设计，应结合地形、地质条件、工程规模及震害经验，选择合理的桥型及墩台、基础型式;(2)利于抗震，同一座桥中，尽量避免高墩与大跨的结合，桥梁宜采用减少上部结构自重并有利于抗震的结构形式;(3)桥梁宜体形简单、自重轻、刚度和质量分布均匀、重心低、便于施工。在构造上尽量避免截面突变及“头重脚轻”的现象。大跨度钢桁梁、空心桥墩是地震区桥梁设计的重点;(4)桥梁宜采用有利于提高结构整体性的连接方式，墩台结构采取提高其延性、震动衰减快的相关措施，必要时设置减隔震支座，塑性铰等防震装置;(5)桥梁宜尽可能采用技术先进、经济合理、便于修复加固的结构体系;(6)在抗震、防震措施方面，应进一步开展减震、隔震支座的研究和应用;加强钢筋混凝上桥墩的延性分析与计算，确定桥墩塑性铰区域的范围;(7)对于高墩、大跨的特殊桥梁，应进行专题抗震设计与研究。

2 抗震设计方法

2.1 基于强度的设计方法

基于强度的设计方法包括:静力法、反应谱法、时程分析法。

静力法始创于意大利，发展于日本。1900年大森房吉提出了地震烈度表的概念，静力等效水平最大加速度αmax作为地震烈度的绝对指标，提出结构物所受地震力F可写为如下形式

式中:W为结构物各部分重量;k为地面运动加速度峰值αmax与重力加速度g的比值，称为地震系数。

静力法假设结构物各部分与地震动具有相同的振动规律。结构因地震力引起的惯性力等于地面运动加速度与结构总质量的乘积，以此惯性力作为静力施加于结构，进行结构线弹性静力分析。从动力学理论看，该法的缺陷在于，忽略了结构物本身的动力特性。只有当结构近似于刚体时，弹性静力法才能近似成立。

反应谱法则考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系，又保持了原有静力理论的形式。将实测地震波代入单自由度动力反应方程，计算出各自最大弹性地震反应，从而得出结构最大地震反应与结构自振周期的关系曲线。由反应谱可计算最大地震作用，再按静力法计算地震反应。反应谱分析虽然考虑了结构的动力特性，但在分析中仍把地震惯性力看作静力，因此只能称为准动力分析。反应谱理论与结构振型分解法结合，建立了振型分解反应谱法，从而解决了复杂多自由度体系地震反应分析的问题。利用振型正交性和振型分解原理进行解耦，使之转化为求解独立的相当于单自由度体系的运动方程。

建立在有限元等数值方法求解基础上的非线性时程分析法，是目前评价桥梁地震行为中相对而言最成熟、最完善的方法。但是该方法在现有桥梁抗震性能评价的应用中还是存在着一些问题。非线性时程分析方法的技术复杂，计算工作量大，结果处理繁杂，并且结果的准确性很大程度上都依赖于输人的地震波，然而在同一地区不可能发生完全相同的两次地震。所以时程分析所选用的地震波实际上不能真正反映该地区未来可能发生的地震作用情况，分析结果具有较大的偶然性。而且采用数值计算复杂工程还与计算者的数值计算基础，数据处理能力有很大的关系。

2.2 基于性能的设计方法

基于性能的设计方法主要包括推倒分析法、能力谱法、基于位移的设计方法以及基于地震损伤性能的设计方法等。

建立在对目标位移或形成机构的思想上的塑性倒塌机构(推倒)分析方法，体现的是基于结构位移性能的抗震思想，其本质上是一种与反应谱相结合的静力弹塑性分析法，它是按一定的水平荷载加载方式，对结构施加单调递增的水平荷载，逐步将结构推至一个给定的目标位移来研究分析结构的非线形性能，从而判断结构及构件的变形、受力是否满足设计要求。其优点突出体现在:与振型分解反应谱法相比较，它考虑了结构的弹塑性特性;与时程分析法相比较，其输人数据简单，工作量较小。

3 桥梁抗震设计措施

(1)桥位应选择在具有良好的地基和稳定的河岸或坡谷地段，以保证桥梁有良好的抗震能力。桥孔布置宜选用等跨，桥台宜采用T形或U形桥台;(2)当桥位难以避免的处于液化土或软土地基上时，桥梁中线应与河流正交。位于液化土或软土地基上的特大桥、大中桥，应适当增加桥长，使桥台位于稳定的河岸上，避免地震时桥台向河心滑移而造成震害;(3)位于常年有水河流上的特大桥、大中桥，当地基为液化土或软土时，其墩台基础应采用桩基础，且桩尖埋入稳定土层内一定深度;(4)墩台基础不应置于严重破碎带上，特殊困难情况下应评价基础的稳定性;(5)墩台顶帽上均应设置防比落梁措施;(6)位于地震后可能形成泥石流沟谷上的桥梁，孔跨和桥下净高宜根据流域内的地形地质情况酌情加大;(7)位于地震区的拱桥尽量避免跨越断层，特殊困难情况下应进行地震安全性评价;(8)高墩宜采用钢筋混凝上结构，按照延性要求进行设计。在桥墩塑性铰区域及紧接承台下桩基的适当范围内应加强箍筋配置。

4 大跨度桥梁设计中应注意的几个问题

(1)对采用桩基的大跨度梁桥，合理地选用桩-土结构相互作用模型对动力计算结果至关重要;(2)对采用桩基的大跨度梁桥，在结构初设阶段，可以根据内力反应包络图和结构设计图纸，判断出预期会出现塑性铰的部位;(3)大跨度拱桥结构主拱的轴压比一般都比较高，延性设计比较困难，所以大跨度拱桥抗震设计不宜过分依赖延性抗震;(4)大跨度拱桥的结构构造比较复杂，一般需要采用反映谱分析和时程分析两种方法互相校核;(5)大跨度拱桥反映谱分析时，应至少考虑两种地震动输入方式。即纵桥向+竖向输入和横桥向+竖向输入，其中竖向反映谱值取水平反映谱值的2/3;(6)大跨度拱桥时程分析时，地震波应至少考虑三种输入方式。

[1] 杨文渊.桥梁施工工程师手册.北京:人民交通出版社，1995.

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[3] 占海林，李捷.桥梁抗震设计计算方法简介[J].甘肃科技，2005，21(8):145-146.

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