桥梁结构抗震

桥梁结构抗震概述

地震经常发生，据统计全世界每年可达数百万次，但其中绝大多数是小地震，不为人们所感觉，只有极少量震级M(见地震烈度)在 5级以上的较强烈的地震会造成灾害，平均每年只有十多次。如中国1976年7月28日3时42分56秒在唐山丰南的强地震(M=7.8),该地区公路中等跨度简支梁桥的震害大都是摆柱式支座倾倒、固定支座齿板剪脱滑出，有的是墩台倾斜，桩柱式墩的基桩折断，甚至墩倒梁落(见图)；而柔性桩墩的双曲连续拱桥的震害多为主拱圈和拱上建筑的小拱圈严重开裂，个别有主拱圈拱起而严重破坏。该地区的铁路桥梁因桥墩基础较好，侧向刚度较强，震害严重程度比公路桥稍轻，如墩台沿施工接缝处开裂或被剪断，钢支座的锚固螺栓被拉出而移位，但落梁事故较少。在其他多地震国家如日本，桥梁震害也以中小跨度的桥梁为多。日本1964年7月新潟地震(M=7.5)时，昭和大桥因河床土层液化导致墩台基础大规模下沉而落梁。大跨度的悬索桥和斜张桥尚无因地震坠落的事例，但在日本一些轻便悬索桥有塔柱折断，缆索破坏的震害。在多地震国家如日本、美国都积极开展这类大跨度桥梁结构的抗震研究。中国也正在研究地震区天津市郊建造大跨预应力混凝土斜张桥的抗震性能。

桥梁结构抗震直接起因

：①在强烈地震时，地形地貌产生剧烈的变化（如地裂、断层等），河流两岸地层向河心滑移等导致桥梁结构的破坏；②地震时河床砂土液化，地基失效，桥梁墩台基础大量下沉或不均匀下沉引起的破坏；③在地震惯性力作用下，导致桥梁结构某一部分产生的内力或变位超过结构构造和材料强度所能承受的限度，从而发生不同程度的破坏。

为防止或减轻震害，提高结构抗震能力，对结构构造所作的改善和加强处理，通常称为抗震措施。各国的工程结构抗震规范对此都有明确的规定。对于桥梁结构,这些措施可归纳为:①对结构抗震的薄弱环节在构造上予以加强；②对结构各部加强整体联结；③对梁式桥，要在墩台上设置防止落梁的纵、横向挡块，以及上部结构之间的连接件；④加强桥梁支座的锚固;⑤加强墩台及基础结构的整体性，增强配筋,提高结构的延性；⑥对桥位处的不良土质应采取必要的土层加固措施；⑦须特别重视施工质量，如施工接缝处的强度保证等；⑧在重要的大桥上，必要时需采用减震消能装置，如橡胶垫块，特制的消能支座等。

地震具有突发性与毁灭性，一次地震，持续时间往往只有几十秒，却会造成巨大的生命财产损失，这是其它自然灾害无法相比的。历来是严重危害人类的大自然灾害，尤其是最近20年全球发生的许多次大地震，其中，多次破坏性地震都集中在城市，造成了非常惨重的生命财产损失。城市地震的共同特点是：由于桥梁工程遭到严重破坏，切断了震区交通生命线工程，造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害加重，对交通线的依赖性越来越强，而一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越大。数次大地震一再显示桥梁工程破坏的严重后果，也再次显示了桥梁工程抗震研究的重要性。

桥梁结构抗震设计方法

1静力法

早期结构抗震计算采用的是静力理论。静力计算理论假设结构物各个部分与地震动具有相同的振动。此时，结构物只受惯性力的作用（等于地面运动加速度乘以结构物质量）。即忽略地面运动特性与结构的动力特性因素，只是简单地把结构在地震时的动力反应看作是静止的地震惯性力。在地震惯性力的作用下分析结构的内力。1915年，佐野提出震度法，即根据静力法的概念提出以结构的10%的重量作为水平地震荷载，于1923年关东大地震后的次年建立了最早的桥梁下部结构工程的抗震分析方法。从动力学的角度分析，把地震加速度看作是结构破坏的单一因素有极大的局限性，因为它忽略了结构的动力特性这一重要因素。只有当结构物的基本固有周期比地面卓越周期小很多时，结构物在地震振动时才可能几乎不产生变形而被当作刚体，静力法才能成立。由于其理论上的局限性，已较少使用，但其概念简单，计算公式简明扼要，在桥台和挡土结构等质量较大的刚性结构的抗震计算中仍常常用到。

2弹性反应谱法

反应谱法是当前结构抗震设计中广泛使用的方法。反应谱法是采用“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，比静力法有很大的进步。反应谱是不同固有频率的单质点体系在一定阻尼系数的条件下输入不同地面运动后得到的位移反应、速度反应和加速度反应最大值的平滑处理过的外包络曲线。反应谱法用于抗震计算包括三个基本步骤：第一步是获得地震动反应谱；第二步是将结构振动方程进行振型分解，将物理位移用振型广义坐标表示，而广义坐标的最大值由第一步中所得反应谱求得；第三步是反应量的最大值可通过适当的方法将各振型反应最大值进行线性叠加，得出这项反应的最大值。

反应谱法概念简单，计算方便，可以用较小的计算量获得结构最大反应值。采用反应谱法只需取少数几个低阶振型就可以求得较为满意的结果，计算量少，且反应谱法将动力问题转化成拟静力问题，易为工程师所接受。采用反应谱法不能考虑多点激励，不能进行非线性地震反应分析。

3时程分析法

动态时程分析法从选定合适的地震动输入出发，采用多节点多自由度的结构有限元动力计算模型建立地震振动方程，然后采用逐步积分法对方程进行求解，计算地震过程中结构每一瞬时的位移、速度和加速度反应，从而可以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。这一计算过程相当冗繁，须借助专用计算程序完成。动态时程分析法可以精确地考虑地基和结构的相互作用，地震时程相位差及不同地震时程多分量多点输入，结构的各种复杂非线性因素（包括几何、材料、边界连接条件非线性）以及分块阻尼等问题，

建立结构动力计算图式和相应地震振动方程，使结构的非线性地震反应分析更趋于成熟与完善。

4Push—over法

Push—over分析方法是将地震荷载等效成侧向荷载，通过对结构施加单调递增水平荷载来进行分析的一种非线性静力分析方法，它研究结构在地震作用下进入塑性状态时的非线性性能。采用对结构施加呈一定分布的单调递增水平力的加载方式，用二维或伪三维力学模型代替原结构，按预先确定的水平荷载加载方式将结构“推”至一个给定的目标位移，来分析其进入非线性状态的反应，从而得到结构及构件的变形能力是否满足设计及使用功能的要求。尽管这一方法还有待进一步完善，但它基本可以满足工程要求。对于桥梁结构来说，Push over分析方法通常将相邻伸缩

缝之间的桥梁结构当做空间独立框架考虑，上部结构通常假定为刚性，分析的初始阶段是对单独的排架墩在所考虑的方向上（顺桥向或横桥向）进行独立的倒塌分析，以获得构件在单调递增水平荷载作用下的整个破坏过程和变形特征，从而发现桥梁结构的薄弱环节。

桥梁结构抗震设计计算模型

缆索单元

计算缆索线形的方法可以分为解析法和有限元法。在有限法计算缆索单元的非线性刚度矩阵有等效弹性模量、等效割线弹性模量法。

1等效弹性模量

在斜拉桥或悬索桥中，缆索的垂度影响缆索的表观刚度，随着缆索张力的增加，垂度减少，倾斜缆索的轴向表观刚度增加，简便计算方法是Enst等效弹性模量计算方法。

2等效割线弹性模量

如果缆索拉力在施加一荷载=增量过程中从Ti增加到Tj，那么在荷载增量范围内等效割线弹性模量可表达为： 2100433B

桥梁结构抗震

seismic resistance of bridge structure

在震害宏观调查和理论研究的基础上,探求桥梁结构震害的规律,据以作出桥梁结构抗震设计的规定。多地震国家，以及中国都制定、颁布了和工程有关的抗震设计规范，如《铁路工程抗震设计规范》(1977年试用)和《公路工程抗震设计规范》（1978年试用）。

桥梁结构抗震地震区桥位和桥型选择

。桥位应选择在对抗震有利的地段，尽可能避免选择在软弱粘性土层、可液化土层和地层严重不均匀的地段，特别是发震断层地段。如必须设置在可液化或松软土层的河岸地段时，桥长应适当增长，将桥台置于稳定的河岸上，而桥墩基础要加强。桥型要选择抗震性能好、整体性强的结构体系，如连续梁，无铰拱等。如中国赵州桥，系石拱桥，地处多地震区，建桥1300多年以来，经历多次强烈地震，犹屹立未毁。如在软土地基上选用简支梁或悬臂梁体系（带有挂孔）时，应在构造上加强防止落梁的措施。墩台结构应选用整体性好的结构形式。基础要埋入稳定土层内。

桥梁结构抗震设计烈度

。地震时，各地区地面受到的影响和程度，称地震烈度，以度表示。某一地区今后一定的时期内，可能遭到的最大地震烈度称基本烈度（一般为百年一遇的最大地震烈度）。各地区的基本烈度由国家制定并标明在全国地震烈度图上。工程结构抗震设计所采用的地震烈度称设计烈度，一般在桥梁结构的抗震设计中即按基本烈度取用，特别重要的结构要经过有关权限单位批准后可提高一度作为设计烈度。根据大量震害调查的事实表明,在基本烈度7度以下,桥梁震害极为轻微,因而，规范中规定桥梁结构抗震设防的一般起点为基本烈度7度，最高9度。7度以下,结构不必进行抗震设计，高于 9度或有特殊抗震要求的新型结构要专门研究它的抗震设计。

桥梁结构抗震设计方法

。对一般桥梁工程，则按规范所规定的简化方法进行结构抗震设计。中国规范是采用反应谱理论（见地震作用），即根据设计烈度，以简便的地震荷载系数计算地震惯性力，作为地震荷载，然后以一般结构静力设计计算步骤求得结构最大内力和变位，使其控制在规范容许值的范围内来确保结构的抗震安全。

对大跨度或特别重要的桥梁结构，应对结构进行地震动力分析（地震反应分析）。分析的方法一般是直接根据建桥地区在强震时地面运动的加速度记录，依照动力学的原理，应用电子计算技术，对结构作地震动力分析计算。对于已经建成的桥梁结构，如不满足现行规范抗震设防的要求，也可通过结构地震动力分析作进一步的抗震鉴定和决择最优加固方案。

在强烈地震区，为了经济，结构抗震设计可以容许结构局部出现不太严重影响使用和易于修复的塑性变形、裂缝或损坏；但为了安全目的，则要力求主要承重结构即使遭受严重损坏也不致倒塌，以减少生命财产的损失。

本书系统介绍了作者十五年来在桥梁结构抗震减震领域的相关研究工作。全书共14章，主要内容包括：地震动特性及输入问题，桥梁结构弹性地震反应分析方法，桥梁主要构件非线性分析模型，RC桥墩非线性分析模型，土-基础-桥梁结构相互作用，桥梁地震反应非线性分析方法，直接基于位移的桥梁抗震设计方法，空间地震动作用下桥梁随机反应，基于多尺度有限元建模的桥梁地震倒塌分析，桥梁地震保护装置，减隔震桥梁地震反应分析方法，摇摆桥梁结构分析与抗震设计，桥墩地震动水压力分析方法，以及桥梁结构模型动力试验等。

应用基于形状记记合金智能材料的智能复合构件、智能耗能器和智能阻尼器，形成基于形状记忆合金智能材料的自适应大跨桥梁结构体系，建立大跨桥梁结构抗震抗风振动控制更有效、更可靠的自应结构控制理论和方法，提高地震或风荷作用下大跨桥墩梁结构的安全性和稳定性。具有发展结构控制理论、促进现代桥梁结构技术进步等重大的理论意义和应用价值 2100433B