桥梁工程抗震设计的主要内容和方法
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桥梁工程抗震设计的主要内容和方法
通过本
学期所学的《土木工程地质》，我们初步了解到了桥梁工程。桥梁是
交通生命线工程中的
重要组成部分，
震区桥梁的破坏不仅直接阻碍了及时救灾行
动，
使得次生灾害加重，
导致生命财产以及间接经济损失巨大，
而且给灾后的恢
复与重建带来困难。在近
3
0
年的国内外大地震中，桥梁破坏均十分严重，桥梁
震害及其带
来的次生灾害均给桥梁抗震设计以深刻的启示。
在以往地震中城市高
架桥或公路上梁桥的墩柱的屈曲、开裂、混凝土剥落、压溃、剪断、钢筋裸露断
裂等
震害，
桥梁防震越来越受到各国工程师的重视。
所以结合所学现
代刚桥等知
识及搜集的资料，本文将大致讲述桥梁工程抗震设计的主要内容和方法。
首先我们了解下地震带给桥梁的具体破坏影响，
这样才可以采取相应措施来
防止。
桥梁上部结构由于
受到墩台、
支座等的隔离作用，
在地震中直接受惯性力
作用而破坏的实例较少，
由于下部结构破坏而导致上部结构破坏则是桥梁
结构破
坏的主要形式，下部结构常见的破坏形式有以下几种：
1)
支承
连接部件失败：
固定支座
强度
不
足、
活动
支座位移量
不够、
橡
胶支座梁
底与支座
底发生滑动，在地震力作用下支座破坏，致使梁体发生位移导致落梁。
<
/p>
2)
墩台支承宽度不满足防震要求，
防落
梁措施设计不合理，
在地震力作用下，
梁、
墩台间出现较大相对位移，导致落梁现象的发生。
3)<
/p>
伸缩缝、
挡块强度不足，
在地震力作用下
伸缩缝碰撞破坏挤压破坏、
挡块剪切破坏，
都
< br>起不到应有作用，导致落梁。
接下来将从两个方面讲述抗震设计。
抗震设计的主要内容
目前桥梁工程的设计主要配合静力设计进行，但贯穿整个桥梁设计的全过
程。
与静力设计一样，
桥梁工程的抗震设计也是一项综合性
的工作。
桥梁抗震设
计的任务，是选择合理的结构方式，并为结
构提供较强的抗震能力。具体来说，
有以下三个部分：
1
正确选择能够有效抵抗地震作用的结构形式；
2
合理的分配结构的刚度，
质量和阻
尼等动力参数，
以便最大限度的利用构件和
材料的承载和变形能
力；
3
正确估计地震可能对结构造
成的破坏，以便通过结构丶构造和其他抗震措施，
使损失控制在限定的范围内。
一丶抗震设计流程
桥梁工
程的设计一般都要包括五个部分，
抗震设防标准选定，
抗震概念
设计，
地震反应分析，抗震性能验算和抗震构造设计。
其中地震反应分析和抗震性能验算工作量最多，
且最为复杂。
如果采用三级
设防的抗震设计思想，
上面的两
个部分就要做三个循环，
即对于每一个设防标准，
进行一次地震
反应分析，
并进行相应的抗震性能验算，
直到结构的抗震性能满
足
要求。
二丶抗震概念设计
抗震概
念设计是从概念上，
特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策；
概念
设计是指根据地震灾害和工程经验等获得的基本设计和设计思想，
< br>正确地解决结
构总体方案丶材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。<
/p>
合理的抗震概念设计，
要求设计出来
的结构，
在强度丶刚度和延性等指标上
有最佳的组合，
使结构能够经济地实现抗震设防的目标。
该阶段的主要任务使选
择良好的抗震结构体系，
主
要桥梁结构抗震设计的一般要求进行。
对于采用延性
概念设计的
桥梁，还包括延性类型选择和塑性耗能机制选择。
从抗震的角度来看，理想的桥梁结构体系布置应该是：
1
）从几何线性看：是直桥，而且各桥墩高度相差不大。
2
）从结构布局上看：上部结构是连续的，伸缩缝
应该尽可能少；桥梁保持小跨
径；
在多个
桥墩布置弹性支座；
各个桥墩的
强度刚度在各个方向都相同；
基础
是建造在坚硬的场地上。
实际工程中，
由于各种限制条件，
可能不能全部满足但也应该尽量满足以上原则。
三丶地震反应分析
进行地
震反应分析，
正确预测地震对桥梁结构的影响是进行桥梁抗震设计的
基础。
地震反应分析要解决三个关键问题：
1
）确定合适的地震输入
2
）建立结构系统的数学模型及振动方程：一般采用有限元方法将结构离散
化，
建立桥梁结构力学模型，
然后确定各离散单元的力学特性，
最终建立相应的地震
振动方程。
3
）选择合适的方法求解地震振动方程得到地震反应。
下面将详细解决这三个问题
1
地震输入的确定
在确定性地震反应分析中，
一般采用两种地震动输入，
即地震加速度反应谱
和地震动加速度时程。
采用反应谱法进行地震反应分析时，
一般采用地震加速度反应谱作为地震输
入。反应谱的选取比较简单，一般根据场地条件和
设防标准，根据规范选取。如
果做过场地地震安全性评价，则可以选取场地的设计反应谱
作为输入。
采用动态时程法进行地震反应分析
时，
一般采用地震动加速度时程作为地震
输入。
地震动加速度时程的选择主要有三个方法，
即直接利用地震记录丶采用人
工地震加速度时程和规范标准化地震加速度时程。
选择加速度时程时，
必须把握
住三个特征，即加速度峰值的大小，波形和强震持续时
间。在选择强震记录时，
除了最大峰值加速度应符合桥梁所在地区的设防要求外，
场地条件也应该尽量接
近，
也就是该地震波的
主要周期应尽量接近于桥址场地附近同类地质条件下的强
震记录，则是最佳选择，应优先
采用。
在地震反应分析中，
地震反应一般分
别沿两个最不利方向，
纵桥向和横桥向
输入。而且纵桥向或横桥
向地震验算是分别进行的，不考虑正交地震力的合成。
关于竖向地震输入，
我国铁路工程和公路工程抗震设计规范都规定，
只有位于烈
< br>度为
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度区的悬臂结构应考虑竖向地震力作用，
其地震力系数为水平向的
0.5
倍。
但需要指出来的是，拱桥对于竖向地震非常敏感，一般都应考虑。
地震动的输入方式又可分为同步，
不同步多点输入。
对于小中桥梁，
进行同
步输入。
对于桥梁长度很大的桥梁，
各支撑点可能位于显著不同的场地土上，
< br>由
此导致各支撑处输入地震动的不同，
在地震反应分析中
就要考虑多支撑不同激励
简称多点激振。
即使场地土情况变化不
大，
也可能因地震动沿桥纵轴向先后到达
的时间差，引起各支承
处输入地震时程的相位差，简称行波效应。
2
地震振动方程及结构力学模型的建立
有总刚度矩阵，
总质量矩阵，
总阻尼矩阵等方程。
此处主要讲结构力学模型的
建立。
1
）动力计算模型的建立
采用有限元模型描述桥梁结构的力学特征时，
必须将结构离散化，<
/p>
这包括结
构本身的单元划分，支承连接部分的特殊处理，墩台基地
支承的边界处理等。
为了真实的模拟结构的力学特征，
所建立的计算模型必须如实的反映结构构件的
几何，材料特性，以及各
构件的边界连接条件。
2
）上部结构的计算模型
一般来说，
桥梁上部结构的设计主要由运营荷载控制。
震害资料也表明，
上
部结构自身的震害非常少见。<
/p>
采用能反映上部结构质量分布和刚度特征的简化的
脊梁模型来模拟
上部结构的工作特性。
桥梁结构的抗震惯性力主要集中在上部结
构
，控制下部结构设计的主要是上部结构通过支座传递下来的
水平惯性力，而
这一惯性力，主要取决于上部结构的质量丶下部结构的刚度丶以及支座连
接条
件。因此，在桥梁抗震设计中，桥梁上部结构的刚度模拟不必太精细，在许多情
况下甚至可以假设为刚体，但上部结构的质量必须尽可能正确模拟。
3
）墩柱的计算模型
在地震反应分析中，
墩柱是关键的结构构件。
上部结构的重力和地震惯性力
通过墩柱传递给基础，
而地震动
输入又通过墩柱传递给上部结构。
另一方面，
目
前普遍接受的抗震设计思想一般要求墩柱具备一定的非弹性变形及耗能能力。
因
此，正确建立墩柱的计算模型，即正常模拟墩柱的刚度和质量分布非常重要。
桥梁墩柱一般采用单元模拟，
但单元
的划分要恰当。
因为单元的划分决定了
堆聚质量的分布，
从而决定了振型的形状和地震惯性力的分布。
对于一般的混凝
土桥梁，
上部结构的惯性力贡献对墩柱的地震反应起控制作用，
墩柱自身的贡献
很小。
这时，墩柱的单元划分可以适当粗糙。反之，如果是重力式桥墩，或者高
墩，桥墩的自身
贡献则比较大，此时，墩柱的单元划分就不能太粗糙。
四丶抗震验算
桥梁结
构地震反应分析的最终目的是正确地估计地震可能对结构造成的破
坏，以便通过结构构造
以及其他抗震措施，使损失控制在限定的范围内。因此，
恰当而有效抗震能力验算是桥梁
结构抗震设计的一个重要组成部分。
桥梁工
程的大部分质量都集中在上部结构，
因而，
地震惯性力也主要集
中在
上部结构。
上部结构的地震惯性力一般通过支座传递给墩柱
，
再由墩柱传递给基
础，进而传递给地基承受。
一般来说，上部结构的设计主要由恒载，活载，温度荷载等控
制。而墩柱在
地震作用下将会受到较大剪力和弯矩作用，
一般由
地震反应控制设计。
因此，
墩
柱，
以及保持上丶下部连接可靠的支座等连接构件，
是桥梁抗震验算的主
要部分。
大量震害资料表明：
桥梁震害主要产生在下部结构，
即使是上部结构破坏的
境况，也往往是由于下部结构的破坏或大变形造成的。
桥梁结
构中普遍采用的钢筋混凝土墩柱，
其破坏形式主要有剪切破坏和弯曲
破坏。比较高柔的桥墩，多为弯曲型破坏；而矮粗的桥墩多为剪切破坏；介于两
者之
间的，为混合型；
桥梁支座的震害也极为普遍，
破坏形式主要是活动支座脱落，
以及支座本身
构造上的破坏等。
因此，在桥梁结构的抗震验算中，
不仅要验算墩柱的抗弯能力和抗剪能力，
还要验算支座等连接构件能否有效工作。