桥梁抗震论文

桥梁延性抗震与减隔震分析

地震一直是危害人类的重大自然灾害之一，尤其是最近几十年，全球发生了许多次大地震，给人类带来了巨大的灾难。其中受害最大的就是我国，1920年宁夏海原地震死亡23.4万人，1976年唐山大地震直接经济损失超过100亿人民币，24.2万人死亡，2008年汶川地震8万多人死亡。这几次地震灾害的共同特点是：由于桥梁工程遭到严重破坏，切断了灾区交通生命线，造成灾区救援工作难以进行，使次生灾害加重，导致了巨大的经济损失。随着现代城市人口的大量聚集和经济的高速发展，对交通的依赖加强。几次地震一再显示桥梁工程抗震研究的重要性。

1. 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。

2. 桥梁的抗震设计原则

桥梁结构的地震反应分析应以地震场地运动为依据。目前确定性的地震反应分析方法有静力法，动力反应谱法和动态时程分析法。

静力法假定结构与地震动具有相同的振动，把结构在地面运动加速度作用下产生的惯性力视为静力作用于结构物上做抗震计算。

动力反应谱法也是采用“地震荷载”的概念，从地震动出发求结构的最大地震反应，但同时考虑了地面运动和结构的动力特性，比静力法有很大进步。反应谱法概念简单，计算方便，可用较少的计算量获得结构的最大反应值。目前大多数分析软件都能很好的处理反应谱计算的问题。但是反应谱只是弹性范围内的概念，当结构在强烈地震下进入塑性工作阶段时即不能直接应用。同时，地震作用是一个时间过程，但反应谱方法只能得到最大反应，不能反映结构在地震动过程中的经历。而且针对大跨桥梁不能忽视的行波效应和多点激振都不能很好的考虑。故大跨度桥梁的方案设计阶段，可以应用反应谱方法进行抗震概念设计以选择一个较好的抗震体系，在加以修正。

动态时程分析法从选定合适的地震动输入（地震动加速度时程）出发，采用多节点多自由度的结构有限元动力计算模型建立的地震动方程，然后采用逐步积分法对方程进行求解，计算地震过程中每一瞬时结构的位移，速度和加速度反应，

从而分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件逐步开裂，损坏直至倒塌的全过程。动态时程分析法可以使桥梁的抗震设计从单一的强度保证转入强度，变形（延性）的双重保证，同时使我们更清楚了解结构地震动力破坏的机理。

此外还有功率谱法，Push-over分析方法等，这些分析方法也日益引起人们的重视。

3.桥梁的抗震设计原则

(1). 场地、地基和基础的选择

选择桥址时，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料做出综合分析。避免地震时可能发生地基失效的松软场地，选择坚硬场地。基岩、坚实的碎石类地基、硬粘土地基是理想的桥址场地；饱和松散粉细砂、人工填土和极软的粘土地基或不稳定的坡地都是危险地区。在地基稳定的条件下，还可以考虑结构与地基的振动特性，力求避免共振影响；在软弱地基上，设计时要注意基础的整体性，以防止地震引起动态和永久的不均匀变形。

(2). 桥梁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。整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被振散掉落，同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。无论是在平面或立面上，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。

(3). 提高结构与构件的强度和延性

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，以防止不能忍受的破坏。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。由于地震动是周期反复作用的运动，还要注意周期反复变形下结构和构件的刚度与强度的退化效应。

(4). 能力设计原则

常采用“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想，这种思想即能力设计原则的具体体现。