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桥梁工程抗震设计
桥梁工程抗震设计【1】
摘要：地震对道路与桥梁的破坏主要由于地表破坏和桥梁受震破坏引起的，桥梁由于受到地震后而产生水平及竖直振动，造成桥梁构件的破坏，甚至使桥梁倒塌。
本文主要就桥梁震后产生的原因进行给予探讨方案。
关键词：桥梁工程;抗震设计
近几年，我国各地大小地震频发，公路桥梁等交通工程在地震中遭受到严重的破坏，然而目前增强桥梁的抗震能力，加强桥梁工程抗震研究的重要性便显得十分关进。
桥梁工程是交通枢纽中的重中之重，强震往往使公路桥梁遭到严重破坏，不但影响着交通的正常通行，有时可能引起二次灾害，阻碍救援工作队的进入。
1.桥梁破坏形式及震害原因分析
1.1合理选址
桥梁工程在建设施工的前期规划中需要对桥梁主体场地选择问题加以关注。
首先，合理的桥梁建设场地应以坚硬地质结构为首选，避免松软场地在地震时发生地基失效的现象。
其次，当交通运输发展实际要求桥梁工程不得不在松软场地区域建设的时候，桥梁的整体结构设计需要尽可能的提高基建整体性能，将地震造成地质结构不均匀变形的可能性降到最低。
1.2桥梁破坏形式
对国内外桥梁震害的调查表明，上部结构震害主要表现为落梁移位，局部碰撞。
下部结构存在桥墩折断，混凝土剥落，系梁开裂，挡块普遍失效，桥台翼挤开裂、倾斜等震害现象。
另外，桥梁附属支座移位与变形，伸缩缝张开和挤压，护栏开裂的现象也非常普遍。
1.3桥梁震害原因分析
桥梁震害是多种因素综合作用的结果，主要有：(1)地震作用对桥台和桥墩等薄弱部位的破坏.桥台是桥梁两侧岸边的支撑部分，一般是在岸边的原域填土上，用钢筋混凝土修建三角形或矩形的支台，这是地震作用的薄弱部位，因为桥台的路基高且三面临空，振动大，桥台和下面土的刚度不同，有相互作用，土体本身在地震中会产生液化，震陷破坏，桥台受地震的振动或场地砂土液化影响，填土滑移，滑移土体对桥台产生巨大推力，致使桥台发生破坏。
桥墩是支撑桥身的主要构件，其震害主要包括桥墩的断裂，剪断和裂缝，另外还有因桩柱埋入深度不够等原因遭受破坏。
(2)支座破坏.支座破坏是桥梁上部结构中最常见的一种破坏现象。
在地震力的作用下，由于支座设计没有充分考虑抗震要求，构造上连接与支挡等构造措施不足，或由于某些支座形式和材料上的缺陷等因素，导致了支座发生过大的位移和变形，从而造成如支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等，并由此导致结构力的传递形式的变化，进而对结构的其他部位产生不利的影响。
(3)地基失效造成的破坏.地震中大部分桥梁倒塌是由于地基失效和砂土液化造成的。
砂土液化通常是指饱和粉细砂，在地震的作用下失去抗剪能力，变为流动状态。
由于桥址地基失去承载力，使得位于上部土层的桥墩倾斜、滑移、危害不小。
在强震作用下，土体结构被扰动，强度降低，孔隙水压力增大，从边界排出，软粘土被压密，发生软土震陷，产生不均匀沉降，这种不均匀沉降引起内力重分布可导致结构特别是超静定结构破坏乃至倒塌。
(4)构造措施不当等原因引起破坏桥梁结构的震害还表现在如结构构造及连接不当造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成桥台沉降或斜度过大造成桥墩台承受过大的扭矩而引起的破坏等。
2.桥梁抗震设计基本原理
结构地震响应分析方法可以分为确定性方法和非确定性( 或概率性) 方法两大类。
确定性方法是以确定性的荷载作用于结构，求解该确定性荷载作用下结构动力反应的方法。
弹性静力法、反应谱法和时程分析法均属于确定性方法。
非确定性方法将地震视为随机过程，以此随机地震动作用于结构，求出结构动力响应统计量。
2.1确定性方法
(1)静力法.最早在1899年，由日本学者大房森吉提出，该法假设结构各部分与地震动具有相同的振动规律。
结构因地震力引起的惯性力等于地面运动加速度与结构总质量的乘积，以此惯性力作为静力施加于结构，进行结构线弹性静力分析。
(2)反应谱法.反应谱方法的基本原理是，作用于结构的实际地震波是由含有一定卓越频率的复杂波组成，当地震的卓越频率和结构的固有频率相一致时，结构物的动力反应就会变大。
不同周期单自由度振子在某一地震记录激励下，可得到体系周期与绝对加速度、相对速度和相对位移的最大反应量之间的关系曲线，即加速度反应谱、速度反应谱和位移反应谱。
由于客观存在随机因素影响，使得不同地震记录得到反应谱具有很大随机性、离散性，实际应用的规范反应谱是大量地震记录输入后得到众多反应谱曲线经统计平均和光滑后而得到的。
结构物可以简化为多自由度体系，多自由度体系的地震反应可以按振型分解为多个单自由度体系反应的组合，每个单自由度体系的最大反应可以从反应谱求得。
(3)时程分析法.时程分析法是将实际地震动记录或人工生成的地震波作用于结构，直接对结构运动方程进行数值积分而求得结构地震反应的时间历程。
时程分析法由于采用了符合场地情况的具有概率意义的加速度过程作为地震动的输入，因此可以精确地考虑结构—基础—土的相互作用、地震波多点输入等因素而建立结构动力计算模型和结构地震响应振动方程。
但为了较合理的体现地震荷载的随机性，同一输入点的地面运动需要多组加速度时程进行模拟，之后作统计处理，计算量十分庞大。
2.2非确定性方法
随机振动法建立在地面运动统计特征的基础上，把具有统计性质的地震动作用到结构上，提供了结构响应的统计度量，不受任意选择的某一输入运动控制。
由于随机振动法已经考虑了地震发生时地面运动的概率统计特性，被认为是一种较为先进的分析工具。
尽管还有种种不够成熟之处，现已被作为与反应谱法、时程分析法并行的一种抗震分析方法列入我国规范。
3.桥梁抗震设计
3.1桥梁抗震设计原则
(1)桥梁在抗震设计时要保证结构的整体性和规则性，使结构在质量、刚度、几何尺寸等方面协调匀称，避免突然变化。
(2)抗震设计要力图使从地基传入结构的振动能量为最小，防止结构产生不能容忍的破坏，因此在不增加重量，不改变刚度的前提下，提高总体强度和延性是两个有效提高结构抗震能力的途径。
(3)抗震设计中要采用多阶段设计方法，设计多道防线来实现结构在不同发生概率地震作用下的预期性能目标。
3.2桥梁抗震设计中的建议
(1)尽量采用连续的桥跨代替简支梁跨，进而减少伸缩缝的数量，降低在此落梁的可能性，同时也提高了桥上行车的舒适性。
(2)对常规的简支桥梁结构应加强桥面的连续构造，以及需提供足够的加固宽度以防止主梁发生位移落梁，另外还应适当的加宽墩台顶盖梁及支座的宽度，并增设防止位移的隔挡装置。
(3)对采用橡胶支座而无固定支座的桥跨，应加设防移角钢或设挡轨，作为支座的抗震设计。
(4)在地震区的桥梁结构以采用跨度相等、每联连续跨内下部墩身刚度相等为宜。
跨度不均，墩身刚度不等极易发生震害，这已经为国内外许多震害所证实。
对各墩高度相差较大的情况可采用调整墩顶支座尺寸和桩顶设允许墩身位移的套筒来调整各墩的刚度，以便使之刚度尽量保持一致。
(5)桥梁的基础应尽可能的建在可靠的地基上，否则软土的液化会加大地震反应。
(6)地震区桥跨不宜太长，大跨度意味着墩柱承受的轴向力过大，从而降低墩柱的延性能力。
4.结语
我国当前的交通运输行业仍处于建设、应用的高峰期，重视地震频发区域桥梁工程的抗震技术设计具有非常重要的现实意义。
相关工作人员需要在结合社会发展要求的基础上，以桥梁抗震技术设计原则为指导思想，不断对各种抗震措施、手段进行探索与创新，使新时期的桥梁工程能够更好的为交通运输行业乃至整个经济社会的发展做出贡献。
参考文献
[1]马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].人民交通出版社，2007.
[2]范立础.桥梁抗震[M].人民交通出版社，2007.
[3]范立础，李建中.汶川桥梁震害分析与抗震设计对策[J].公路，2009(5)：92-95.
[4]梁岩.桥梁抗震设计措施的改进[J].北方交通，2000，(4).
桥梁工程抗震设计【2】
[摘 要]文章在分析桥梁结构地震破坏的主要形式基础上，对桥梁抗震设计方法进行分析。
[关键词]桥梁工程 抗震设计 方法
抗震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原则和设计思想，正确地解决结构总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。
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。
一、桥梁结构地震破坏的主要形式
根据桥梁过去的地震破坏情况，除了如液化、断层等凼地基失效引起的破坏以外，混凝上桥梁最常见的破坏形式有以下四种：
1、弯曲破坏。
结构在水平地震荷载作用下由于过大的变形导致混凝土保护层脱落、钢筋压屈和内部混凝土压碎、崩裂，结构失去承载能力。
整个过程可以用以下四个阶段来描述：①当弯矩达到开裂强度时，截面出现水平弯曲裂缝;②随着裂缝的发展和荷载强度的提高，受拉侧的纵筋达到屈服强度;③随着变形量的增大，混凝土保护层脱落、塑性铰范围扩大;④钢筋压屈(或拉断)和内部混凝土压碎、崩裂。
1.2 剪切破坏(弯剪破坏)。
在水平地震倚戟作用下，当结构受到的剪切力超过截而剪切强度时发生剪切破坏，整个破坏过程可以用以下四个阶段来描述：①截血弯矩达到开裂强度时，截面出现水平弯曲裂缝;②随着裂缝的发展和荷载强度的提高，柱内出现斜方向的剪切裂缝;③局部剪切裂缝增大，箍筋屈服导致剪切裂缝进一步增长;④发生脆性的剪切破坏。
3、落梁破坏。
当梁体的水平位移超过梁端支撑长度时发生落梁破坏。
落梁破坏是由于梁与桥墩(台)的相对位移过大，支座丧失约束能力后引起的一种破坏形式。
发生在桥墩之间地震相对位移过大、梁的支撑长度不够、支座破坏、梁间地震碰撞等情况。
4、支座损伤。
上部结构的地震惯性力通过支座传到下部结构，当传递荷载超过支座设计强度时支座发生损伤、破坏。
支座损伤也是引起落梁破坏的主要原因。
对于下部结构而言，支座损伤可以避免上部结构的地震荷载传到桥墩，避免桥梁发生破坏。
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[2]。
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。
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。
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。
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。
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、桥梁抗震设计方法相关问题
1、桥梁抗震概念设计 抗震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原则和设计思想，正确地解决结构总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。
合理抗震设计，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，使结构能够经济地实现抗震设防的目标。
应当指出，强调概念设计重要，并非不重视数值计算，而是为了给抗震计算创造出有利条件，使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况。
桥梁抗震概念设计阶段的主要任务是选择良好的抗震结构体系，主要根据桥梁结构抗震设计的一般要求进行。
对于采用延性抗震概念设计的桥梁，还包括延性类型选择和塑性耗能机制选择。
2、桥梁延性抗震设计 目前延性抗震验算所采用的破坏准则主要有：强度破坏准则、变形破坏准则、能量破坏准则、基于低周疲劳特征的破坏准则以及用最大变形和滞回耗能来表达的双重指标破坏准则等。
Housner在对悬臂式单质点系统的非线性地震反应进行分析后，将其破坏机理总结为：在形成完全的塑性反应之前，出现某种程度的塑性应变，由此而消耗的能量自然的构成结构等效粘滞阻尼的一部分;当完全进入塑性变形后，产生塑性漂移，并在单方向发展直到倒塌发生。
他认为塑性反应阶段，保证结构不破坏的条件是让其保有足够的耗能能力。
3、多阶段设计方法 随着对地震产生机理、地震动特性以及地震作用下各类结构动力特性、破坏机理、构件能力研究认识的加深以及对结构在不同发生概率地震作用下预期性能目标的不同，促使结构设计在设计原则、设防水准等各个方面进行不断改进。
由原来的单一设防水准一阶段设计逐渐改进为双水准或三水准两阶段设计、三阶段设计，以及多水准设防、多性能目标准则的基于结构性能的设计等。
4、地震响应分析及设计方法的改变 随着人们对地震动和结构动力特性理解的加深，目前已经发展了多种抗震设计理论和地震响应的分析设计方法。
从地震动的振幅、频谱和持时三要素来看，抗震设计的静力理论只考虑了高频振动振幅的最大值;反应谱理论虽考虑了振幅和频谱，但持时则始终未能得到明确的反映;动力理论不但考虑了地震动的持时，而且还考虑了地震动中反应谱不能概括的其他特性。
从组成结构抗震设计理论的四个方面内容(输入地震动、结构和构件的动力模型，一实用的地震反应分析方法，以及设计原则)来看，静力理论对四个方面都做了极大的简化，反应谱理论也做了较大的简化，而动力理论则有比较全面的考虑：
动力理论的输入地震动要求给出符合场地情况的、具有概率含义的加速度时间函数，对于复杂结构要求给出三个分量及其空间相关性;结构和构件的动力模型更为接近实际，包括了非线性特性;地震反应分析方法考虑了结构反应的全过程，包括变形和能量损耗的积累;设计原则考虑到多种使用状态和安全的概率保证。
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