橋梁工程抗震設計

　　橋梁工程抗震設計【1】

　　摘要：地震對道路與橋梁的破壞主要由于地表破壞和橋梁受震破壞引起的，橋梁由于受到地震后而產生水平及豎直振動，造成橋梁構件的破壞，甚至使橋梁倒塌。

　　本文主要就橋梁震后產生的原因進行給予探討方案。

　　關鍵詞：橋梁工程;抗震設計

　　近幾年，我國各地大小地震頻發，公路橋梁等交通工程在地震中遭受到嚴重的破壞，然而目前增強橋梁的抗震能力，加強橋梁工程抗震研究的重要性便顯得十分關進。

　　橋梁工程是交通樞紐中的重中之重，強震往往使公路橋梁遭到嚴重破壞，不但影響著交通的正常通行，有時可能引起二次災害，阻礙救援工作隊的進入。

　　1.橋梁破壞形式及震害原因分析

　　1.1合理選址

　　橋梁工程在建設施工的前期規劃中需要對橋梁主體場地選擇問題加以關注。

　　首先，合理的橋梁建設場地應以堅硬地質結構為首選，避免松軟場地在地震時發生地基失效的現象。

　　其次，當交通運輸發展實際要求橋梁工程不得不在松軟場地區域建設的時候，橋梁的整體結構設計需要盡可能的提高基建整體性能，將地震造成地質結構不均勻變形的可能性降到最低。

　　1.2橋梁破壞形式

　　對國內外橋梁震害的調查表明，上部結構震害主要表現為落梁移位，局部碰撞。

　　下部結構存在橋墩折斷，混凝土剝落，系梁開裂，擋塊普遍失效，橋臺翼擠開裂、傾斜等震害現象。

　　另外，橋梁附屬支座移位與變形，伸縮縫張開和擠壓，護欄開裂的現象也非常普遍。

　　1.3橋梁震害原因分析

　　橋梁震害是多種因素綜合作用的結果，主要有：(1)地震作用對橋臺和橋墩等薄弱部位的破壞.橋臺是橋梁兩側岸邊的支撐部分，一般是在岸邊的原域填土上，用鋼筋混凝土修建三角形或矩形的支臺，這是地震作用的薄弱部位，因為橋臺的路基高且三面臨空，振動大，橋臺和下面土的剛度不同，有相互作用，土體本身在地震中會產生液化，震陷破壞，橋臺受地震的振動或場地砂土液化影響，填土滑移，滑移土體對橋臺產生巨大推力，致使橋臺發生破壞。

　　橋墩是支撐橋身的主要構件，其震害主要包括橋墩的斷裂，剪斷和裂縫，另外還有因樁柱埋入深度不夠等原因遭受破壞。

　　(2)支座破壞.支座破壞是橋梁上部結構中最常見的一種破壞現象。

　　在地震力的作用下，由于支座設計沒有充分考慮抗震要求，構造上連接與支擋等構造措施不足，或由于某些支座形式和材料上的缺陷等因素，導致了支座發生過大的位移和變形，從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落及支座本身構造上的破壞等，并由此導致結構力的傳遞形式的變化，進而對結構的其他部位產生不利的影響。

　　(3)地基失效造成的破壞.地震中大部分橋梁倒塌是由于地基失效和砂土液化造成的。

　　砂土液化通常是指飽和粉細砂，在地震的作用下失去抗剪能力，變為流動狀態。

　　由于橋址地基失去承載力，使得位于上部土層的橋墩傾斜、滑移、危害不小。

　　在強震作用下，土體結構被擾動，強度降低，孔隙水壓力增大，從邊界排出，軟粘土被壓密，發生軟土震陷，產生不均勻沉降，這種不均勻沉降引起內力重分布可導致結構特別是超靜定結構破壞乃至倒塌。

　　(4)構造措施不當等原因引起破壞橋梁結構的震害還表現在如結構構造及連接不當造成的破壞、橋臺臺后填土位移過大造成橋臺沉降或斜度過大造成橋墩臺承受過大的扭矩而引起的破壞等。

　　2.橋梁抗震設計基本原理

　　結構地震響應分析方法可以分為確定性方法和非確定性(　或概率性)　方法兩大類。

　　確定性方法是以確定性的荷載作用于結構，求解該確定性荷載作用下結構動力反應的方法。

　　彈性靜力法、反應譜法和時程分析法均屬于確定性方法。

　　非確定性方法將地震視為隨機過程，以此隨機地震動作用于結構，求出結構動力響應統計量。

　　2.1確定性方法

　　(1)靜力法.最早在1899年，由日本學者大房森吉提出，該法假設結構各部分與地震動具有相同的振動規律。

　　結構因地震力引起的慣性力等于地面運動加速度與結構總質量的乘積，以此慣性力作為靜力施加于結構，進行結構線彈性靜力分析。

　　(2)反應譜法.反應譜方法的基本原理是，作用于結構的實際地震波是由含有一定卓越頻率的復雜波組成，當地震的卓越頻率和結構的固有頻率相一致時，結構物的動力反應就會變大。

　　不同周期單自由度振子在某一地震記錄激勵下，可得到體系周期與絕對加速度、相對速度和相對位移的最大反應量之間的關系曲線，即加速度反應譜、速度反應譜和位移反應譜。

　　由于客觀存在隨機因素影響，使得不同地震記錄得到反應譜具有很大隨機性、離散性，實際應用的規范反應譜是大量地震記錄輸入后得到眾多反應譜曲線經統計平均和光滑后而得到的。

　　結構物可以簡化為多自由度體系，多自由度體系的地震反應可以按振型分解為多個單自由度體系反應的組合，每個單自由度體系的最大反應可以從反應譜求得。

　　(3)時程分析法.時程分析法是將實際地震動記錄或人工生成的地震波作用于結構，直接對結構運動方程進行數值積分而求得結構地震反應的時間歷程。

　　時程分析法由于采用了符合場地情況的具有概率意義的加速度過程作為地震動的輸入，因此可以精確地考慮結構—基礎—土的相互作用、地震波多點輸入等因素而建立結構動力計算模型和結構地震響應振動方程。

　　但為了較合理的體現地震荷載的隨機性，同一輸入點的地面運動需要多組加速度時程進行模擬，之后作統計處理，計算量十分龐大。

　　2.2非確定性方法

　　隨機振動法建立在地面運動統計特征的基礎上，把具有統計性質的地震動作用到結構上，提供了結構響應的統計度量，不受任意選擇的某一輸入運動控制。

　　由于隨機振動法已經考慮了地震發生時地面運動的概率統計特性，被認為是一種較為先進的分析工具。

　　盡管還有種種不夠成熟之處，現已被作為與反應譜法、時程分析法并行的一種抗震分析方法列入我國規范。

　　3.橋梁抗震設計

　　3.1橋梁抗震設計原則

　　(1)橋梁在抗震設計時要保證結構的整體性和規則性，使結構在質量、剛度、幾何尺寸等方面協調勻稱，避免突然變化。

　　(2)抗震設計要力圖使從地基傳入結構的振動能量為最小，防止結構產生不能容忍的破壞，因此在不增加重量，不改變剛度的前提下，提高總體強度和延性是兩個有效提高結構抗震能力的途徑。

　　(3)抗震設計中要采用多階段設計方法，設計多道防線來實現結構在不同發生概率地震作用下的預期性能目標。

　　3.2橋梁抗震設計中的建議

　　(1)盡量采用連續的橋跨代替簡支梁跨，進而減少伸縮縫的數量，降低在此落梁的可能性，同時也提高了橋上行車的舒適性。

　　(2)對常規的簡支橋梁結構應加強橋面的連續構造，以及需提供足夠的加固寬度以防止主梁發生位移落梁，另外還應適當的加寬墩臺頂蓋梁及支座的寬度，并增設防止位移的隔擋裝置。

　　(3)對采用橡膠支座而無固定支座的橋跨，應加設防移角鋼或設擋軌，作為支座的抗震設計。

　　(4)在地震區的橋梁結構以采用跨度相等、每聯連續跨內下部墩身剛度相等為宜。

　　跨度不均，墩身剛度不等極易發生震害，這已經為國內外許多震害所證實。

　　對各墩高度相差較大的情況可采用調整墩頂支座尺寸和樁頂設允許墩身位移的套筒來調整各墩的剛度，以便使之剛度盡量保持一致。

　　(5)橋梁的基礎應盡可能的建在可靠的地基上，否則軟土的液化會加大地震反應。

　　(6)地震區橋跨不宜太長，大跨度意味著墩柱承受的軸向力過大，從而降低墩柱的延性能力。

　　4.結語

　　我國當前的交通運輸行業仍處于建設、應用的高峰期，重視地震頻發區域橋梁工程的抗震技術設計具有非常重要的現實意義。

　　相關工作人員需要在結合社會發展要求的基礎上，以橋梁抗震技術設計原則為指導思想，不斷對各種抗震措施、手段進行探索與創新，使新時期的橋梁工程能夠更好的為交通運輸行業乃至整個經濟社會的發展做出貢獻。

　　參考文獻

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　　[4]梁巖.橋梁抗震設計措施的改進[J].北方交通，2000，(4).

　　橋梁工程抗震設計【2】

　　[摘 要]文章在分析橋梁結構地震破壞的主要形式基礎上，對橋梁抗震設計方法進行分析。

　　[關鍵詞]橋梁工程 抗震設計 方法

　　抗震概念設計是指根據地震災害和工程經驗等獲得的基本設計原則和設計思想，正確地解決結構總體方案、材料使用和細部構造，以達到合理抗震設計的目的。

　　合理的抗震設計，要求設計出來的結構在強度、剛度和延性等指標上有最佳的組合。

　　一、橋梁結構地震破壞的主要形式

　　根據橋梁過去的地震破壞情況，除了如液化、斷層等凼地基失效引起的破壞以外，混凝上橋梁最常見的破壞形式有以下四種：

　　1、彎曲破壞。

　　結構在水平地震荷載作用下由于過大的變形導致混凝土保護層脫落、鋼筋壓屈和內部混凝土壓碎、崩裂，結構失去承載能力。

　　整個過程可以用以下四個階段來描述：①當彎矩達到開裂強度時，截面出現水平彎曲裂縫;②隨著裂縫的發展和荷載強度的提高，受拉側的縱筋達到屈服強度;③隨著變形量的增大，混凝土保護層脫落、塑性鉸范圍擴大;④鋼筋壓屈(或拉斷)和內部混凝土壓碎、崩裂。

　　1.2 剪切破壞(彎剪破壞)。

　　在水平地震倚戟作用下，當結構受到的剪切力超過截而剪切強度時發生剪切破壞，整個破壞過程可以用以下四個階段來描述：①截血彎矩達到開裂強度時，截面出現水平彎曲裂縫;②隨著裂縫的發展和荷載強度的提高，柱內出現斜方向的剪切裂縫;③局部剪切裂縫增大，箍筋屈服導致剪切裂縫進一步增長;④發生脆性的剪切破壞。

　　3、落梁破壞。

　　當梁體的水平位移超過梁端支撐長度時發生落梁破壞。

　　落梁破壞是由于梁與橋墩(臺)的相對位移過大，支座喪失約束能力后引起的一種破壞形式。

　　發生在橋墩之間地震相對位移過大、梁的支撐長度不夠、支座破壞、梁間地震碰撞等情況。

　　4、支座損傷。

　　上部結構的地震慣性力通過支座傳到下部結構，當傳遞荷載超過支座設計強度時支座發生損傷、破壞。

　　支座損傷也是引起落梁破壞的主要原因。

　　對于下部結構而言，支座損傷可以避免上部結構的地震荷載傳到橋墩，避免橋梁發生破壞。

　　二、橋梁抗震設計原則

　　合理的抗震設計，要求設計出來的結構在強度、剛度和延性等指標上有最佳的組合，使結構能夠經濟的實現抗震設防的目標。

　　要達到這個要求，就需要設計工程師深入了解對結構地震反應有重要影響的基本因素，并具有豐富的經驗和創造力，而不僅僅是按規范的規定執行[2]。

　　以下為抗震設計應盡可能遵循的一些基本原則，這些原則基于歷次的橋梁震害教訓和當前公認的理論認識。

　　①場地選擇。

　　除了根據地震危險性分析盡可能選擇比較安全的廠址之外，還要考慮一個地區內的場地選擇。

　　選擇的原則是：避免地震時可能發生地基失效的松軟場地，選擇堅硬場地。

　　②體系的整體性和規則性。

　　橋梁的整體性要好，上部結構應盡可能是連續的。

　　較好的整體性可防止結構構件及非結構構件在地震時被震散掉落，同時它也是結構發揮空間作用的基本條件。

　　無論是在平面還是在立面上，結構的布置都要力求使幾何尺寸、質量和剛度均勻、對稱、規整，避免突然變化。

　　③提高結構和構件的強度和延性。

　　橋梁結構的地震破壞源于地震動引起的結構振動，因此抗震設計要力圖使從地基傳入結構的振動能量為最小，并使結構具有適當的強度、剛度和延性，以防止不能容忍的破壞。

　　在不增加重量、不改變剛度的前提下，提高總體強度和延性是兩個有效的抗震途徑。

　　剛度的選擇有助于控制結構變形;強度與延性則是決定結構抗震能力的兩個重要參數。

　　由于地震動可造成結構和構件周期反復變形，使其剛度與強度逐漸退化，因此，只重視強度而忽視延性絕對不是良好的抗震設計。

　　④能力設計原則。

　　能力設計思想強調強度安全度差異，即在不同構件(延性構件和能力保護構件-不適宜發生非彈性變形的構件統稱為能力保護構件)和不同破壞模式(延性破壞和脆性破壞模式)之間確立不同的強度安全度。

　　通過強度安全度差異，確保結構在大地震下以延性形式反應，不發生脆性的破壞模式。

　　在我國以前的建筑抗震設計中，普遍采用“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件”的設計思想。

　　⑤多道抗震防線。

　　應盡量使橋梁成為具有多道抵抗地震側向力的體系，則在強地震動過程中，一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結構，避免倒塌。

　　因此，超靜定結構優于同種類型的靜定結構。

　　但相對于建筑結構，橋梁在這方面可利用的余地通常并不大。

　　三、橋梁抗震設計方法相關問題

　　1、橋梁抗震概念設計 抗震概念設計是指根據地震災害和工程經驗等獲得的基本設計原則和設計思想，正確地解決結構總體方案、材料使用和細部構造，以達到合理抗震設計的目的。

　　合理抗震設計，要求設計出來的結構，在強度、剛度和延性等指標上有最佳的組合，使結構能夠經濟地實現抗震設防的目標。

　　應當指出，強調概念設計重要，并非不重視數值計算，而是為了給抗震計算創造出有利條件，使計算分析結果更能反映地震時結構反應的實際情況。

　　橋梁抗震概念設計階段的主要任務是選擇良好的抗震結構體系，主要根據橋梁結構抗震設計的一般要求進行。

　　對于采用延性抗震概念設計的橋梁，還包括延性類型選擇和塑性耗能機制選擇。

　　2、橋梁延性抗震設計 目前延性抗震驗算所采用的破壞準則主要有：強度破壞準則、變形破壞準則、能量破壞準則、基于低周疲勞特征的破壞準則以及用最大變形和滯回耗能來表達的雙重指標破壞準則等。

　　Housner在對懸臂式單質點系統的非線性地震反應進行分析后，將其破壞機理總結為：在形成完全的塑性反應之前，出現某種程度的塑性應變，由此而消耗的能量自然的構成結構等效粘滯阻尼的一部分;當完全進入塑性變形后，產生塑性漂移，并在單方向發展直到倒塌發生。

　　他認為塑性反應階段，保證結構不破壞的條件是讓其保有足夠的耗能能力。

　　3、多階段設計方法 隨著對地震產生機理、地震動特性以及地震作用下各類結構動力特性、破壞機理、構件能力研究認識的加深以及對結構在不同發生概率地震作用下預期性能目標的不同，促使結構設計在設計原則、設防水準等各個方面進行不斷改進。

　　由原來的單一設防水準一階段設計逐漸改進為雙水準或三水準兩階段設計、三階段設計，以及多水準設防、多性能目標準則的基于結構性能的設計等。

　　4、地震響應分析及設計方法的改變 隨著人們對地震動和結構動力特性理解的加深，目前已經發展了多種抗震設計理論和地震響應的分析設計方法。

　　從地震動的振幅、頻譜和持時三要素來看，抗震設計的靜力理論只考慮了高頻振動振幅的最大值;反應譜理論雖考慮了振幅和頻譜，但持時則始終未能得到明確的反映;動力理論不但考慮了地震動的持時，而且還考慮了地震動中反應譜不能概括的其他特性。

　　從組成結構抗震設計理論的四個方面內容(輸入地震動、結構和構件的動力模型，一實用的地震反應分析方法，以及設計原則)來看，靜力理論對四個方面都做了極大的簡化，反應譜理論也做了較大的簡化，而動力理論則有比較全面的考慮：

      動力理論的輸入地震動要求給出符合場地情況的、具有概率含義的加速度時間函數，對于復雜結構要求給出三個分量及其空間相關性;結構和構件的動力模型更為接近實際，包括了非線性特性;地震反應分析方法考慮了結構反應的全過程，包括變形和能量損耗的積累;設計原則考慮到多種使用狀態和安全的概率保證。

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