试论大跨度桥梁抗震设计

试论大跨度桥梁抗震设计

艾仁高罗华松

艾仁高罗华松

湖北省交通规划设计院

摘要：大跨度桥梁的建设随着我国经济与科技的不断发展而进入了高速发展的时期。一方面是我国科技发展的证明，一方面是交通发展的必然趋势。而在桥梁的建设中，如何减少地震作用对于桥梁的伤害，尽可能降低地震灾害可能带来的损失是桥梁工程师所要重视的关键问题。本文从典型的地震灾害入手，分析了地震灾害可能对桥梁带来的危害，进而阐述了桥梁抗震设计的一步步发展，然后对于大跨度桥梁的抗震情况进行分析，分析了大跨度桥梁抗震设计的研究现状，最后对于大跨度桥梁抗震设计时面对的问题以及研究方向进行分析，希望能够对有关部门提供帮助。

关键词：地震；抗震设计；大跨度桥梁

1概述

随着经济水平的不断提高，城市化进程不断加快，越来越多的人口分布于城市之中。地震作为一种常见而又具有强大破坏能力的自然灾害，不仅会因为释放巨大能量而导致建筑物和设施的损坏倒塌等，而且还会产生各种次生灾害，比如交通以及其他设施的破坏会导致间接的经济损失。近期由于城市化进程的加快，桥梁工程经历着各种快速的发展，各种大跨度的桥梁层出不穷，而在大跨度桥梁中抗震设计中涌现了大量的现实问题，需要桥梁设计师对此进行合理恰当的设计。如何保证大跨度桥梁在发生地震作用的情况下仍然能正常运行减少经济损失是桥梁设计时的重点难点。

2地震灾害的典型类型及其对桥梁抗震设计的影响

地震是人们面临的常见自然灾害之一，它会给人们的生活生产带来巨大的影响与损失。而桥梁工程作为国民经济的基础工程，一旦在地震中遭到破坏，不但会给灾后抢险以及重建工作带来不小的阻力，还会给人们的生命财产安全带来威胁。在受到自然灾害的不断侵袭中，人们对于地震的认识也在不断的加深，从而研究出针对地震的建筑设计。对于地震破坏机理的深刻认识是制定建筑设计规范的基础，科学合理的设计规范才能够最大程度的提高结构的抗震水平。经过上百年的研究，人们对于抗震方面的设计已经从单纯的强度抗震方面进行设计转而进行强度以及延性的双重方面进行设计，并且还进行了有关隔震和减震方面的研究。许多构件在强烈地震的作用之下会形成弹塑性变形，从而出现滞变的性质，这种性质被称作是弹塑性。这是构件进行变形时具有的特有属性，在随机的强烈地震的作用之下，桥梁的部分构件会因为屈服而出现较为明显的滞变效应，这种滞变效应呈现出非线性，结构通过这种滞变来抵抗地震带来的灾害。就目前的桥梁设计而言，最为流行的抗震设计应用的就是选择出延性好的构件作为桥梁中使用的结构构件，从而实现对桥梁结构的保护，达到抗震的效果。

3大跨度桥梁抗震分析的相关问题及研究现状

3.1大跨度桥梁抗震设计分析

对于结构地震的分析可以通过非确定性和确定性两种方法。确定性方法是指将已经确定的荷载作用在结构中，从而得出在该荷载作用之下桥梁结构的动力反应。确定性方法包括有反应谱法、静力弹塑性分析法以及弹性静力法等。非确定法就是将地震作用看作是随机的一个过程，并且将震动随机的作用在桥梁结构中，从而得出桥梁结构的动力反应

确定性抗震分析中，本文主要介绍的是弹性静力法和静力弹塑性分析。弹性静力法假设桥梁结构中的各个部分与地震的震动具有相同的震动规律，由于地震力而引起的结构惯性力为地震时地面运动的加速度跟结构的质量的成绩，将这个惯性力作为一个静力施加在桥梁结构中，从而得到结构的弹性静力分析。这种方法的缺陷在于对于结构本身的动力特性有所忽略，当结构近似可以看做刚体的时候，这种方法才能成立。

静力弹塑性抗震分析从严格的定义上来说，不能算是地震反应时的结构分析方法，但是可以作为简化的评估方法，能够对于结构物在地震作用下的弹塑性性能进行一定程度上的描述，结构从屈服状态到极限状态的全部非弹性形变的过程都能够大致描述。这种方法对于复杂的桥梁工程拥有相当大的实用价值。

3.2大跨度桥梁抗震分析的特点以及研究现状

大跨度桥梁在世界范围内发展都十分迅速，而且建造的趋势是跨度越来越大而且柔韧性越来越好。大跨度桥梁的自振周期以及达到了20秒左右，因此传统的抗震分析已经不能满足现有的大跨度桥梁分析。尤其是在进行大跨度桥梁抗震的分析中需要将地面的不均匀运动考虑其中。主要包括三种因素，一种是行波效应，地震波速是一定的有限值，通常一秒钟在百米到千米之间，桥梁的各个支承之间的距离较大时，需要考虑地震波到达桥梁的支承的时间是不相同的。一种是部分相干效应。在不均匀的土壤介质中，地震波进行反射和折射，另外震源的不同位置到达不同支承的叠加方式有所不同，各个支承所得到的激励也不是完全相干的。一种是局部场地效应。支承的部位不同，土壤条件也不相同，它们对于频率成分以及基岩振幅的影响方式都有所差别。

大跨度桥梁进行抗震分析时最基本的方法是反应谱法，这种方法的概念比较简单，将原本的动力问题转化成为了拟静力问题，能够让工程技术人员容易接受。但是它有一个均匀一致地面运动的假设前提。而对于大跨度桥梁结构而言地面运动导致的空间变化效应是非常重要的，因此反应谱法的结果可能不一定准确。时程分析法是通过将结构中各个支座给予不同的加速度时程从而进行地面运动的空间效应的反应。地面运动加速度中时程曲线的获取主要有三种方法。一种是通过地震加速度进行记录，一种对相似的情况地质条件之下已经发生的地震波记录进行借鉴，一种是采用规范中相对应的反应谱人工合成地震波。时程分析法的优点在于既能够做弹塑性动态分析，又能够做线性分析并且拥有明确的概念。缺点在于对于选取的时程曲线过于依赖，产生的离散程度比较大，为了能够得到可靠的结果常常需要参考多个时程样本，因此计算量方面比较大。在实际的工程中只有重要性十分强的大跨度结构才使用时程分析法。

4大跨度桥梁结构的减隔震设计

4.1减隔震设计与结构振动控制技术研究

减隔震设计与结构振动控制技术研究主要分为三个方向，即主动、智能控制、被动耗能减震以及基础隔震。在结构控制中，智能阻尼装置得到了重视，因为它具有能够对主动控制进行自行适应，而且不需要很大的能量，响应的频带也比较宽。

4.2大跨度桥梁减隔震设计与结构控制研究现状

被动控制技术在桥梁工程中的发展比较成熟，应用也相对广泛，它通过一定的减隔震措施将地震地面运动与结构分隔开来，从而减少地震在桥梁上部结构的震动以及能量。而在大跨度的桥梁抗震设计当中，采用最多的抗震技术是进行被动阻尼器或者是柔性的约束体系的安装来降低地震带来的影响。被动调谐减震控制技术同样是应用在桥梁的抗震设计当中，它的主要构成是主结构以及附加其上的子结构。子结构上具有阻尼刚度以及质量，因此可以对自身的自振频率进行调节，调节至于主结构的基本频率近似相同。这样就能够在主结构受到震动时，子结构产生与之相反的惯性力加载在主结构上，将主结构受到的震动减弱。

5总结

如何减少地震作用对于大跨度桥梁的伤害，尽可能降低地震灾害可能带来的损失是桥梁工程师所要重视的关键问题，同时也是在桥梁设计时的一大难题。通过国内外桥梁工程师的不断研究以及人们对于地震认识的逐渐加深，对于大跨度桥梁的抗震设计主要体现在降低地震对于桥梁主体结构的震动方面，以及增大桥梁的柔韧性两个方面进行考虑。大跨度桥梁的抗震设计对于桥梁工程的发展以及我国经济的发展都有着重要的实际意义。

参考文献：

[1]叶爱君，胡世德，范立础，大跨度桥梁抗震设计实用方法[J]土木工程学报，2011（02）

[2]史志利，周立志，大跨度桥梁抗震设计和振动控制的研究与应用现状[J]城市道桥与防洪，2012（12）

[3]赵大亮，李爱群，丁幼亮等，大跨度桥梁地震反应谱的发展[J]公路交通科技，2012（02）