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浅析公路桥梁的抗震设计及其发展趋势摘要: 文章重点论述了桥梁抗震设计反应谱法，延性抗震，减隔震等基本概念以 及在大跨度桥梁设计应用中存在的一些问题, 为进行桥梁抗震分析提供参考, 以确保桥梁工程在地震过程中有足够的抗震能力和合理的安全度关键词: 桥梁抗震设计 反应谱法 延性抗震 减隔震 发展趋势一．地震对桥梁造成的破坏形式我国是自然灾害多发的国家，从2008 年初南方雪灾到5 月12 日的汶川大地 震，灾害对人民的生命以及财产安全造成了严重的影响，同时导致交通、电力、 通信、供水、供气等基础设施大面积瘫痪公路工程也会遭到不同程度的破坏 在抗震救灾中，公路交通运输是抢救人民生命财产和尽快恢复生产、重建家园的 重要环节桥梁是公路工程关键部位及控制性工程因而桥梁抗震是当前重点研 究课题和亟待解决的难点问题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地震工作者历来都很重视震害的调查研究近20 余年发生的几次大地震使桥梁结构遭到严重破坏,但也使我们获得了非常宝贵的 经验与教训5・12”汶川地震桥梁震害表现形式：（1） 落梁破坏2） 支座破坏、梁体位移。

3） 梁体间碰撞，挡块破坏4） 桥台破坏及损伤5） 桥梁墩柱破坏从以上震害表现上分析，主要存在如下原因：1.1 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比较少见,往往是由于桥梁结构其他 部位的毁坏而导致上部结构的破坏1.2 支承连接部位的震害 桥梁支承连接部位的震害极为常见由于支承连接部位的破坏会引起力的传递方 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1.3 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2 桥梁震害教训总结桥梁震害教训，尤其是最近10 年来的桥梁震害教训，得到以下一些重要的 结论：（1） 桥梁抗震设防应采用性能设计原则即在考虑工程造价、结构遭遇地震作 用水平、紧急情况下维持交通能力的必要性以及结构的耐久性和修复费用等因素 下，定义桥梁的重要性及其允许的损坏程度（性能）2） 桥梁抗震设计应同时考虑强度和延性，尤其注重提高桥梁结构整体和钢筋 混凝土桥墩的延性能力3） 重视采用减隔震的设计技术，以提高桥梁的抗震性能。

4） 对复杂桥梁（如斜弯桥、高墩桥梁或墩刚度变化很大的桥梁），强调进行空间动力时 程分析的必要性5） 重视桥梁支座的作用及其设计，同时开发更有 效的防止落梁装置二． 桥梁抗震设计的基本思路当前主要地震国家桥梁抗震设计规范的基本思路和设计准则是: 设计地震 作用基本上分为功能和安全设计两个等级虽然各规范使用的名词不同, 但其思 路是基本一致的比较起来我国公路工程抗震设计规范仍在使用烈度概念, 关于 抗震设计的指导思想方面比较笼统主要地震国家抗震设计基本思路见表11. 反应谱法2 反应谱法基本概念 人类在与地震的斗争中发展了各种抗震分析方法,分为确定性方法和概率性方法 两大类静力法、反应谱法和时程分析法均属于确定性方法, 随机振动、虚拟激 励法属于概率性方法通常所说的结构地震反应分析,就是建立结构地震振动方 程, 然后通过求解振动方程得到结构地震反应(位移、内力等) 的过程2.1 反应谱的定义 在结构抗震理论发展中, 静力法、反应谱法和动力时程分析法三个阶段的形成和 发展是人类对自然规律认识的不断深入与完善的过程反应谱理论考虑了结构物 的动力特性, 而且简单正确地反映了地震动的特性, 因此得到了广泛认可和应 用。

2.2 反应谱方法的优缺点 反应谱方法的优点是概念简单、计算方便, 可以用较少的计算量获得结构的最大 反应值反应谱方法的缺点是:( 1) 地震响应分析时必须重视振型数的取值由于大跨度桥梁的自振频率在一 个相当宽的频带内密布, 而地震波一般都是宽带激励, 因此在用反应谱方法大 跨度桥梁的分析时, 必须选取足够数量的振型 2) 原则上只适用于线性结构体系结构在强烈地震中一般都要进入非线性状 态, 弹性反应谱法不能直接使用3.1 阻尼问题阻尼是结构地震反应中最为重要的参数之一, 其大小和特性直接影响结构的基 本动力反应特性在一般桥梁结构的地震反应分析中阻尼可用阻尼比的形式计入, 而对于非线性地震反应分析则必须采用正确的方法计算阻尼矩阵到目前为止还 没有一种被广泛接受的用来估算桥梁结构阻尼比的方法［2］不同阻尼影响反应 谱取值存在两方面内容: ①不同阻尼影响规范反应谱曲线形状; ②桥梁各振型 阻尼比影响反应谱取值目前国内的抗震设计规范设计反应谱几乎都以5%的临界 阻尼比为依据(核电站抗震设计规范除外), 这对普通钢筋混凝土桥梁是适宜的, 但大跨度桥梁结构不同振型频率阻尼比往往小于5%阻尼比取值或者不同振型阻 尼比取值的不同会直接影响到地震反应的预测结果［8］。

因此对于不同振型应使 用不同阻尼比为体现结构物在地震作用下的真实反应, 避免出现设计不安全或 过于保守的情况, 应对结构阻尼比不是5%的情况加以修正, 但公路桥梁抗震计 规范目前还未涉及阻尼比不是5%的修正问题3.2 长周期反应谱 为使用反应谱法进行大跨度桥梁的抗震设计要解决地震动长周期反应谱问题由 于目前规范反应谱截止周期是5s,不能满足大跨度桥梁抗震反应谱分析的要求. 所以长周期反应谱是当前地震工程研究的一个热点问题现行部规反应谱长周期 部分有两个问题需要解决:一是长周期反应谱取值规定一个下限值不尽合理; 二 是反应谱截止周期应适当延长［8］对于长周期反应谱0的下限值取值不尽合理 的解决方法之一是采用高性能的数字强震仪用于地震加速度记录, 因数字强仪 的频带范围宽, 可以获得高精度的地震动力特性; 由于地震动反应谱随周期的 变化相差很大而且很不规则, 不能希望用一个简单的函数准确地刻划各个周期 段的取值情况, 但还需要经过大量强震统计合理确定有关的规范化参数［4, 7］2 .桥梁减隔震技术2.1 减隔震技术的概念和发展减震是人为在结构的某些部位设置阻尼器或耗 能构件,改变结构的动力性能,耗散结构吸收的地震能量,从而降低结构的地震反 应。

隔震则是指通过延长结构的自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输入, 以此降低结构地震反应对桥梁结构采用隔震技术的思想产生由来已久,减隔震 技术自诞生以来, 受到了广泛的重视第一座采用减隔震技术的桥梁是新西兰的桥, 建于 1973 年, 上部结构采用滑动支承隔震, 阻尼由 U 形钢弯曲梁提供该桥 建成后, 减隔震技术在桥梁抗震中得到了迅速推广美国第一次将减隔震技术用 于桥梁是在 1984 年, 用于对 Sierra Point Bridge 进行抗震加固 1990 年, 美 国新建了第一座采用减隔震技术的桥梁 Sexton 桥在日本, 第一座建成的减隔 震桥梁是静岗县横跨Keta河的宫川大桥，完成于1990年,是一座3跨连续钢桁 架梁桥, 采用铅芯橡胶支座作为减震构件2.2 常用减隔震装置1) 分层橡胶支座分层橡胶支座,国内常称为板式橡胶支座其基本构造如图1 所示, 由薄橡胶片与薄钢板相互交替结合而成, 支座平面形状多采用圆形或矩形 在抗震设计中主要考虑分层橡胶支座的水平刚度和阻尼作用等因素橡胶支座的 水平剪切刚度, 指上、下板面产生单位位移时所需施加的水平剪力橡胶支座通 过在变形过程中消耗能量提供阻尼,这种阻尼主要取决于橡胶层变形的速度。

以 天然橡胶为主要材料制作的支座，典型的阻尼比为5 %〜10 %分层橡胶支座的 力—位移滞回曲线呈狭长形,所提供的阻尼较小,因而在减隔震桥梁设计中,常与 阻尼器一起使用2） 铅芯橡胶支座铅芯橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上，在支座的中部或中 心周围部位竖直地压入高纯度铅芯以改善支座阻尼性能的一种减震支座铅芯具 有良好的力学特性，具有较低的屈服剪力（约10 MPa） ，具有足够高的初始剪切刚 度（约130 MPa） ，具有理想弹塑性性能且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能， 能够提供地震下的耗能能力和静力荷载下所必需的刚度因此，由铅芯和分层橡 胶支座结合的铅芯橡胶支座能够满足一个良好减隔震装置所应具备的要求:在较 低水平力作用下，具有较高的初始刚度，变形很小;在地震作用下，铅芯屈服，刚度 降低， 延长了结构周期， 并消耗地震能量3） 滑动摩擦型减隔震支座滑动摩擦型支座利用不锈钢与聚四氟乙烯材料之间 相当低的滑动摩擦系数制成也称为聚四氟乙烯滑板支座这种支座具有摩擦系 数小，水平伸缩位移大的优点，作为桥梁活动支座十分适宜在地震作用下，滑动 摩擦型支座允许上部结构在摩擦面上发生滑动， 从而将上部结构能够传递到下部 结构的最大地震力限制为支座的最大摩擦，同时通过摩擦消耗大量的地震能量。

这类支座的缺点是没有自复位能力,用作隔震支座时,支座响应的可预测性和可靠性都不尽如人意,所以常与阻尼器和橡胶支座等其他装置一起使用J詁弯曲集图21\b)悬骨弯第 典型的钢阻尼器4) 钢阻尼器钢阻尼器利用钢材的塑性变形来耗能如图 2 所示为三种典型的 钢阻尼器:a.有横向加载臂的均匀弯矩弯曲梁阻尼器,加载臂有一倾斜角度;b. 锥形悬臂弯曲梁阻尼器；c.有横向加载臂的扭梁阻尼器钢阻尼器的优点是制造 不需要特殊设备, 费用比较合适, 坚实耐用, 又具有较大的耗能能力试验研究表 明, 大多数钢阻尼器的滞回曲线可用双线性来近似模拟不同类型钢阻尼器的选 择取决于阻尼器放置的位置、可利用的空间、连接的结构以及力和位移的大小 钢阻尼器通常和橡胶隔震支座一起使用, 如聚四氟乙烯滑板支座与悬臂钢阻尼器 就是一种合理组合2.3 减隔震装置的选择桥梁的减隔震系统应满足如下三个基本功能:1) 具备一定的柔度,用来延长结构 周期, 降低地震力；2) 通过阻尼、耗能装置等对地震力进行耗散, 并将支承面处的 相对变形控制在设计允许的范围内；3) 具备一定的刚度和屈服力,在正常使用荷 载下结构不发生屈服和有害振动进行减隔震设计时, 应将重点放在提高耗能能 力和分散地震力上, 不可过分追求加长周期。

而且应选用作用机构简单的减隔震 装置,并在其力学性能明确的范围内使用另外,减隔震装置不仅要能减震耗能, 还应满足正常运营荷载的承载要求,因此选择减隔震装置时,还应注意以下一些 要求:1) 在不同水准地震作用下, 减隔震支座都应保持良好的竖向荷载支承能 力;2) 减隔震装置应具有较高的初始水平刚度,使得桥梁在风荷载、制动力等作 用下不发生过大的变形和有害的振动;3) 当温度、徐变等引起上部结构缓慢的伸 缩变形时,减隔震支座产生的抗力应比较低;4) 减隔震装置应具有较好的自复位能力,使震后桥梁上部结构能够基本恢复到原来位置3.延性抗震3.1 延性的基本概念3.1.1 延性的定义和指标延性抗震设计主要是利用结构、构件自身的延性耗能能 力来抵抗地震作用，设计时是通过增加结构、构件延性来实现，对结构允许出现 塑性铰的部分进行专门的延性设计延性抗震设计的基本思想：结构构件可以发 生塑性变形，可以发生一定的损坏，但结构不倒塌是必须能得到保证的，结构设 计时，使结构具有一定的滞回特性，这种特性足以抵抗大地震产生的弹塑性变形， 设计预期的大地震发生时，滞回延性要低于地震激起的反复弹塑性变形循环，免 于倒塌破坏的结构抗震设防的最低目标必须始终得到保证。

在抗震设计时，使结 构具有延性特征，首先要确定度量延性量化的设计指标通常用位移延性系数和 曲。