浅析桥梁抗震设计.docx

桥 梁 工 程

浅 析 桥 梁 抗 震 设 计

院 系：建筑工程学院
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2013年10月24日

目 录

一 桥梁震害分析 - 1 -
二 桥梁抗震设计原则 - 1 -
2．1 场地选择 - 2 -
2．2 体系的整体性和规则性 - 2 -
2．3 提高结构和构件的强度和延性 - 2 -
2．4 能力设计原则 - 2 -
2．5 多道抗震防线 - 2 -
三 抗震设计有效措施 - 3 -
四 提高桥梁抗震性能的几点方法 - 3 -
4．1 隔震支座法 - 3 -
4．2 利用桥墩延性 - 3 -
4．3 采用隔震支座和阻尼器相结合的系统 - 4 -
4．4 引进新型桥梁的抗震设计方法 - 4 -
五 桥梁抗震的设计注意事项 - 4 -
六 结语 - 5 -
参考文献 - 5 -

浅析桥梁抗震设计

【摘 要】
我国是一个地震多发国家，地震灾害不仅造成大量的人员伤亡，造成大量的地面建筑物和各种设施的破坏与倒塌，还严重的造成交通中断，作为生命线工程的铁路桥梁、公路桥梁、城市桥梁收到很大的损坏，给后续工作造成了极大的困难，保证桥梁在地震作用下的安全性对人民生命财产安全的保护有重大意义。随着中大跨度桥梁建设的迅猛发展，桥梁设计过程中的抗震问题也成为国内外学术界的研究热点。本文从桥梁的抗震分析、设计原则、提高性能有效措施和注意事项等方面简单的介绍了桥梁抗震的知识。
【关键词】 桥梁抗震分析 桥梁抗震设计原则 有效措施 注意事项
- 5 -

一 桥梁震害分析
调查与分析桥梁的震害及其产生的原因是建立正确的抗震设计方法，采取有效抗震措施的科学依据。国内外学者对桥梁震害的调查研究结果表明，桥梁震害主要表现为：
1．上部结构的破坏：桥梁上部结构本身遭受震害而被毁坏的情形不多，一般都是由于桥梁结构的其他部位的毁坏而引起的。如落梁，一种是由于弹性设计理论采用毛截面刚度，这样就会低估横向地震作用和位移。导致活动节点处所设置的支座长度明显不足以及相邻梁体之间因横向距离不足而引起的相互冲击，造成落梁及相邻结构的撞击破坏；另外一种是由于地基土的作用造成大的地震位移，这种桥梁震害主要发生在建在软土或者可能液化的地基土上的桥梁上。软土通常会使结构的振动反应放大，使得落梁的可能性增加。
2． 支座连接部位的震害：这中破坏比较常见，由于连接部位的破坏会引起力传递方式的变化，从而对结构其他部位的抗震产生影响，进一步加重震害。这种破坏是抗震设计中最关注的问题之一。
3．下部结构和基础的震害：下部结构和基础的严重破坏是引起桥梁倒塌，并在震后难以修复使用的主要原因。除了地基毁坏的情况，桥梁墩台和基础的震害是由于受到较大的水平地震力，瞬时反复振动在相对薄弱的截面产生破坏而引起的，从大量震害实例来看，比较高柔的桥墩多为弯曲破坏，矮粗的桥墩多为剪切型破坏，介于两者之间的为混合型。地基破坏主要表现为砂土液化，地基失效，基础沉降和不均匀沉降破坏及由于其上承载力和稳定性不够，导致地面产生大变形，地层发生水平滑移，下沉，断裂。
4． 桥台沉陷，当地震加速度作用时，由于桥台填土与桥台是不完全固结的，桥台填土的纵向土压力增大，桥梁与桥台之间的冲撞会产生相当大的被动土压力，造成桥台有向桥跨方向移动的趋势。由于桥面的支撑作用，桥台将发生以桥台顶端为支点的竖向旋转，导致基础破坏。如果桥台基础在液化土上，又将引起桥台垂直沉陷，最终导致桥梁破坏。
以上所介绍桥梁的几种破坏形式是相互影响的，不同的地质条件和不同的抗震措施所造成的破坏程度和类型往往是不同的。这就要求我们在桥梁设计中尤其是不规则桥梁和大跨度桥梁，必须从整体分析桥梁的抗震性能。
二 桥梁抗震设计原则  
合理的抗震设计，要求设计出来的结构在强度、刚度和延性等指标上有最佳的组合，使结构能够经济的实现抗震设防的目标。要达到这个要求，就需要设计工程师深入了解对结构地震反应有重要影响的基本因素，并具有丰富的经验和创造力，而不仅仅是按规范的规定执行。以下为抗震设计应尽可能遵循的一些基本原则，这些原则基于历次的桥梁震害教训和当前公认的理论认识。  
2．1 场地选择
除了根据地震危险性分析尽可能选择比较安全的厂址之外，还要考虑一个地区内的场地选择。选择的原则是：避免地震时可能发生地基失效的松软场地，选择坚硬场地。 
2．2 体系的整体性和规则性
桥梁的整体性要好，上部结构应尽可能是连续的。较好的整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被震散掉落，同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。无论是在平面还是在立面上，结构的布置都要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀，对称、规整，避免突然变化。 
2．3 提高结构和构件的强度和延性
桥梁结构的地震破坏源于地震动引起的结构振动，因此抗震设计要力图使从地基传入结构的振动能量为最小，并使结构具有适当的强度、刚度和延性，以防止不能容忍的破坏。在不增加重量、不改变刚度的前提下，提高总体强度和延性是两个有效的抗震途径。刚度的选择有助于控制结构变形；强度与延性则是决定结构抗震能力的两个重要参数。由于地震动可造成结构和构件周期反复变形，使其刚度与强度逐渐退化，因此，只重视强度而忽视延性绝对不是良好的抗震设计。 
2．4 能力设计原则
能力设计思想强调强度安全度差异，即在不同构件(延性构件和能力保护构件-不适宜发生非弹性变形的构件统称为能力保护构件)和不同破坏模式(延性破坏和脆性破坏模式)之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异，确保结构在大地震下以延性形式反应，不发生脆性的破坏模式。在我国以前的建筑抗震设计中，普遍采用“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想。 
2．5 多道抗震防线
应尽量使桥梁成为具有多道抵抗地震侧向力的体系，则在强地震动过程中，一道防线破坏后尚有第二道防线可以支撑结构，避免倒塌。因此，超静定结构优于同种类型的静定结构。但相对于建筑结构，桥梁在这方面可利用的余地通常并不大。
三 抗震设计有效措施
1、采用板式橡胶支座的桥梁，如果盖梁挡块在地震中遭破坏，其可以有效减少下部结构所受的地震力，但对于这种类型的桥梁抗震设计的关键是怎样采用合理的梁体限位装置，设置足够的梁墩合理搭接长度，使梁体位移控制在不发生落梁的范围内，同时又不增加墩柱地震力。
2、在高烈度的地震区，尽可能的采用整体性和规划性较好的桥梁结构体系，结构的集合尺寸、质量和刚度力求均匀、对称、规则，避免突变的出现；从几何线性上看，尽可能选择用直线桥梁。
3、选择合理的连接形式对桥梁抗震性能十分重要。对于高墩桥梁，建议采用上部结构与下部结构有选择性的刚性连接；对于矮墩桥梁，上部结构和下部结构连接建议采用支座连接方式，并合理的设置梁墩的搭接长度。
四 提高桥梁抗震性能的几点方法
抗震理念应该贯穿在整个桥梁的设计过程中，从设计方案开始注重桥梁的抗震性能，通过反复的实验和推敲来确定桥梁方案。实用的抗震方法，是通过增加结构的柔性来延长结构的自振周期，这样一来可以增加结构的阻尼并减小地震载荷，二来可以减小地震所引起的结构反应，实质就是减小地震的危害。目前来说，比较有效和容易实现的提高桥梁的抗震性能的方法有如下几种。
4．1 隔震支座法
隔震支座法是在抗震应用的较为广泛的方法。这种方法是通过增加结构的柔性和阻尼来减小桥梁的地震反应的。具体做法是采用减、隔震支座在梁体与墩、台的连接处，通过设计或是应用新材料来实现结构柔性和阻尼的增加。这个方法是有大量的实验理论依据作支撑的，很多试验的分析结果都反映出桥梁连接处的结构与对地震的反应是有着直接关系的。以上的连接方法可以有效的减小墩、台所受的水平地震力，从根本上减小了地震的影响，提高了桥梁的抗震性能。
4．2 利用桥墩延性
桥墩的延性是抗震设计中可以加以利用的特点。由于桥墩自身是具有延性的，将这一性质加强。在强震时，这些部位形成的稳定延性塑性铰可以产生弹塑性变形，这样变形将延长结构的周期同时耗散地震的能量。利用桥墩自身加强的延性，将地震力通过限度内的塑性变形渐渐分散，是在桥梁设计中比较容易实现的抗震方法。延性的抗震设计，需要根据弹性反应来计算塑性变形的程度，然后根据抗震等级进行修正，尽可能提高桥梁的抗震载荷。在桥梁的抗震设计规范中，综合影响系数用来反映塑性变形程度，所以根据综合系数可以知道桥梁的抗震能力。
4．3 采用隔震支座和阻尼器相结合的系统
隔震支座法可以提高桥梁的抗震性能，增加对地震力的阻尼也是提高桥梁性能的方法，将二者结合起来，抗震性能加倍。隔震支座和阻尼器可以在地震的作用下，加强桥墩的弹塑性变形从而耗散地震能量，使地震的危害减小，也就是加强了桥梁的抗震性。
4．4 引进新型桥梁的抗震设计方法
在传统的桥梁抗震设计中，主要方法是用“蛮力”，也就是通过提高强度和增强延性来保证可以抵御地震的能力，自身的力比地震的力大时，当然可以岿然不动。但是这种方法应用在实际中时，其抗震能力是不得而知的，而地震的作用也是无法预知的。当两个未知因素，在实际的情况时发生，与人们所期待的结果相反，桥梁自然遭到损害了，这样的例子在实际中是很多的。新型的桥梁设计多采用型钢混凝土结构，这种结构与传统的混凝土结构有着很多先进之处。因为型钢混凝土结构的承载能力高于同样外形的钢筋混凝土的一倍以上，而且前者抗剪能力、延性都明显的高于后者，这样抗震能力自然得到提到。除此之外，新型的型钢混凝土结构能够吸收、隔离和耗散地震能量，将桥梁的地震反应减小，从而避免了较大的变形造成的不可恢复的变形。这样的结构不但提高了桥梁结构的安全度，而且还可以节约材料、降低造价，可以说是首选的抗震方法。
五 桥梁抗震的设计注意事项
（1）尽量将桥轴线设计成直线，曲线桥使结构地震反应复杂化；尽可能使桥台和桥墩与轴线垂直，斜交会引起转动影响而增加位移。
（2）沿纵、横桥向的桥墩刚度尽可能一致，如刚度变化太大，地震时刚性大的桥墩容易产生破坏。
（3）塑性铰不应设计在盖梁、主梁、水中或地下的桩顶处，设计在墩柱上易于观察与修复。
（4）材料和结构形式的选择应遵循以下原则：质轻高强，变形能力大，强度和刚度衰减小，结构整体性好。单从材料的抗震性能优劣来划分的话依次为：钢结构、钢砼结构、钢砼组合结构、木结构、现浇钢筋砼、预制钢筋砼、预应力砼、砌体。
（5）设置多道抗震防线，尽可能用超静定结构，少采用静定结构。
（6）防止脆性与失稳破坏、增加结构延性。常见的脆性破坏包括砖、石、素混凝土的开裂和钢筋砼的剪切破坏；常见的失稳破坏包括斜撑和柱的失稳以及柱中纵向钢筋在箍筋不足时的压屈。
六 结语
桥梁结构有效的抗震措施还有许多，因此我们在桥梁设计过程中须认真分析和了解结构的地震反应和特性，精心设计并采取一系列有效的抗震措施。桥梁抗震设计是一项系统工程，体现在设计的各个阶段，需要认真对待。在可行性研究阶段，应强化抗震概念设计。选择合理的桥位和桥型；在初步设计阶段，要强化抗震体系设计，确定合适的抗震设防标准和脸算准则进行结构的总体分析；在施工图图设计阶段，应强化抗震构造设计，重视抗震构造采取的措施和构造细节。

参考文献
【1】 周云,宗兰,张文芳,等. 土木工程抗震设计[M ]. 北京:科学出版社, 2005: 326 - 347. 
【2】 范立础，胡世德，叶爱君.大跨度桥梁抗震设计.北京:人民交通出版社，2001
【3】 宋晓凯. 桥梁抗震设.山西建筑.2007