桥梁抗震设计方法综述

摘 要近年来我国灾害性地震频发,不断的向结构设计人员强调桥梁抗震设计的重要性.桥梁结构作为公路路网中的关键性结点是地震运动作用下容易发生破坏的结构元件,其损坏程度决定了所属路网的通行能力.本文针对规则桥梁与非规则桥梁的抗震设计方法进行了综述,简要阐述了规则桥梁常规抗震设计分析的要点及过程,和非规则桥梁抗震设计的方法、要点及发展方向.

关 键 词桥梁抗震设计分析方法规范

中图分类号：U441文献标识码：A

0引言

地震是一种发生时间短、波及面广、灾害程度极为严重的自然灾害.我国位于地震易发地带.其中,地震烈度6度及以上的区域面积占我国全部国土面积60%以上,半数左右的城市位于地震烈度7度及以上地区.地震的发生会给社会、家庭、经济造成难以估量的损失.

近年我国灾害性地震频发,2007年6月云南普洱6.4级地震、2008年5月汶川8.0级地震、2010年4月玉树7.地震、2013年4月芦山7.0级地震、2014年8月昭通鲁甸6.5级地震,地震多次给人民带来灾难的同时也加强了结构设计人员对桥梁抗震设计的重视,推动了桥梁抗震设计方法的发展及相关规范的逐步完善.桥梁结构作为公路路网中的关键性结点是地震运动作用下容易发生破坏的结构元件,其损坏程度决定了所属路网的通行能力.本文针对如何借助合理的设计理念进行桥梁设计,使其具有足够的抗震能力进行综述.

1桥梁抗震设计规范现状

最新的《公路桥梁抗震设计细则》与《城市桥梁抗震设计规范》摒弃了原《公路工程抗震设计规范》“以刚克刚”的弹性抗震设计思想,借鉴和引入了延性抗震理念及减隔振等“以柔克刚”的概念.在具体操作中,根据桥梁的重要性和在抗震救灾中起的作用,把桥梁进行分类,并对各类桥梁进行复杂程度不同的抗震设计.但现行的桥梁抗震设计规范在抗震设防标准、隔震周期及墩柱抗剪强度等方面阐述较为笼统,使工程师在采用规范进行设计时常常会产生一些困惑,如非规则桥梁自振频率计算的方式、地震环境中多维作用下的构件受力特性的仿真模拟等.

2规则桥梁抗震设计方法

简支梁与连续梁桥在公路桥梁中应用最为广泛,多为钢筋砼或预应力砼结构.历史上严重桥梁震害调查显示：结构震害多发生于下部结构处,而桥梁上部结构自身很少发生严重的破坏现象.通常,将梁体处理成2节点空间梁单元或板单元,真实模拟桥梁的实际边界条件及下部结构受力环境即可达到满足工程精度的要求.下面以2*25m连续箱梁桥为例对一般桥梁抗震设计方法进行阐述与分析.

2.1一次成桥模型的建立

本桥为2*25m连续箱梁桥,箱梁宽5m、高1.35m、支座与垫石总高0.21m,立柱中心间距3.2m,墩柱高度3.8m、直径为1.0m,桩基采用2根1.2m钻孔灌注桩（摩擦桩）,桩长20.8m,场地土系数m值为30000KN/m4.主梁、立柱、基础分别采用C50、0、C30混凝土.建立桥梁模型如图1所示.

图1：一次成桥模型

在E1、E2地震作用下,计算模型要反映实际桥梁结构的动力特性（要能反映桥梁上部结构、下部结构、支座、地基刚度、质量分布以及阻尼特性）.从而保证在E1、E2地震作用下引起的惯性力和主振型能得到反映.

2.2边界条件的模拟

模型的边界条件按照真实的情形进行模拟：支座按照实际计算刚度进行输入,使其能反映支座的力学特性；桩基础的模拟考虑桩土的共同作用,采用等代土弹簧进行模拟,等代土弹簧的刚度采用表征土介质弹性值的M值参数进行计算.图2为模型边界条件模拟示意.

图2：模型边界条件模拟示意图

2.3桥梁抗震分析

08《细则》与《城规》中对规则桥梁的抗震设计均采用延性理念和减隔震两种策略,对地震分析与抗震验算方法的使用也基本相同.进行桥梁抗震分析验算是采用反应谱法,部分情况采用时程反应分析法.本模型采用反应谱法进行分析.

首先采用多重Ritz向量法进行特征值分析,得到结构的固有周期、振型形状等结构动力特性.其次进行反应谱函数的定义,根据桥梁类型、场地类型、抗震设防烈度等因素确定反应谱函数,并选择相应的抗震规范（本桥为规则桥梁,小震作用下采用E1反应谱的弹性设计、大震作用下采用E2反应谱的弹性或弹塑性设计）,图3为模型对应的反应谱法函数.然后在结构的各个振动方向上定义反映谱荷载工况.最后运行分析,查看各模态作用下的分析结果.

图3：反映谱函数图

2.4桥梁抗震验算

进行桥梁结构抗震验算时,有几点需要特别注意：

（1）定义钢筋混凝土构件材料特性中“弯矩――曲率曲线”的定义,其目的是为了描述截面的弹塑性以及在定义材料弹塑性时对E、I值进行修正,图4为定义“弯矩――曲率曲线”示意图.

图4：“弯矩――曲率曲线”示意图

（2）确定塑性铰的位置,定义自由长度与长度系数.

（3）在进行E2地震验算时,由于材料刚度发生变化,应在验算前手动修改结构刚度,验算结果真实可靠.其中刚度调整系数的计算公式为：

系数y等于

系数z等于

双柱墩验算时需通过pushover计算填入横向允许位移值.

最后运行验算分析,查看构件设计强度验算结果（E1、E2弹性验算）,位移变形验算（E2弹塑性验算）,再根据验算结果进行结构调整至全部通过验算并具有一定的安全系数.

3非规则桥梁抗震设计方法

以高墩大跨度刚构桥为主要研究对象进行讨论性分析,此类桥梁的抗震能力分析将直接影线墩身承载能力的大小因此是设计中的要点之一.

3.1考虑地震动空间变化效应的桥梁地震反应分析通常进行的地震反应分析,常采用检测定地震发生时基础各点以相同的振幅和相位振动的一致激励法,忽略了地震动的空间变化特性,对于大跨度桥梁等线型结构而言,则应考虑地震地面运动的空间变化性对桥梁结构的地震反应的影响.

地震动无论是在强度、持时或是频谱特性等方面均具有显著的空间差异性,即地震动场地效应,而引起地震动空间变化的因素十分复杂,主要包括地震的行波效应、衰减效应、部分相干效应和局部场地效应四部分.

地震动空间变化差动场在桥梁各桥墩基础底部输入不同的自功率谱来考虑局部场地的变化,其相关性用相干函数模型来考虑.对多点激励桥梁地震反应分析方法分两大类：一类是确定性分析方法,包括反应谱法和时程分析法；另一类概率性分析方法,主要是随机振动法.由于大跨度桥梁在长周期反应谱和强空间耦合效应研究上还不完善,且地震地面运动的变化特征难以准确模拟等因素,反应谱法有时误差很大.于是基于随机理论的改进反应谱方法得到发展,如林家浩等等的虚拟激励法.

有关地震动场的空间变异性及模拟模型的研究已有大量的研究工作,多是基于实测记录统计分析获得的成果.对山区高桥梁抗震分析中,主要考虑地震动的地形效应,其影响因素主要包括地形的坡度、结构物所处的场地、地震波的传播方向以及地震波的入射角度等.对于河谷地形效应影响的考虑,目前主要是基于数值分析的经验函数法和整体数值分析方法两种.

3.2非规则桥梁结构抗震设计理论和方法

基于性能的抗震设计是针对不同的结构特点及性能要求,综合考虑和应用设计参数、结构体系、构造措施以及减震装置等来保障桥梁结构在各级地震水平作用下的抗震性能,是桥梁抗震设计思想的一个重要转变.我国08《细则》与《城规》也引进了基于性能的抗震设计思想,采用E1和E2两水平抗震设防,即重要桥梁在E1震作用下只允许发生极小的损伤,而在E2地震作用下允许发生可修复的破坏.

基于位移的抗震设计是实现基于性能抗震设计思想的一条有效途径.它直接以位移为设计参数,针对不同地震设防水准,制定相应的目标位移,并且通过设计,使得结构在给定水准地震作用下达到预先指定的目标位移,从而实现对结构地震行为的控制.基于位移的抗震设计理论主要包括基于位移的抗震设计方法、位移需求简化计算和目标位移的确定三方面内容.北京工业大学针对山区高墩桥梁强震作用下震害特征和失效模式,开展多维多点地震作用下山区高墩桥梁地震模拟振动台台阵试验研究,提出了非弹性位移反应谱和碰撞谱为基础的基于位移抗震设计方法,发展基于直接位移的山区高墩桥梁抗震设计方法.

4结论

本文针对规则桥梁与非规则桥梁的抗震（下转第191页）（上接第179页）设计方法进行了综述,简要的阐述了规则桥梁常规抗震设计分析的要点及过程,和非规则桥梁抗震设计的方法、要点及发展方向.现行规范及常用方法多针对规则桥型,多采用静力模拟的形式（反映谱法）进行分析,但这种方法具有一定的局限性,适用的范围有限.对于非规则桥梁和多维地震作用下桥梁的地震反映分析还需进行大量的实验与数据收集,使方针模拟更接近实际,结构更为可靠,抗震加固方案更为理想.

[3]YamamuraN,HiroshiT.ResponseanalysisofflexibleMDFsystemormultiple-supportseiicexcitation[J].EarthquakeEngineeringandStruc-turalDynamics,1990,19（3）：345-357.

[4]林家浩,张亚辉.随机振动的虚拟激励法[M].北京：科学出版社,2004.

[5]王利辉.连续刚构桥振动台台阵试验研究[D].北京：北京工业大学,2011.

[6]张.基于OpenSees的连续刚构桥梁地震响应研究[D].北京：北京工业大学,2013.

[7]闫晓宇,李忠献,韩强,等.多点激励下大跨度连续刚构桥地震响应振动台阵试验研究[J].土木工程学报,2013,46（7）：81-89.