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【摘要】地震带来的桥梁震害非常之大，这就要求我们设计理论思路更完善以避免更大的震害。本文介绍了基于强度和结构的设计方法，分析了设计中的问题和解决措施。
【关键词】桥梁 抗震 设计
中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
我国是世界上多地震国家之一，地震具有强度大、频度高、震源浅的特点，从地震构造上看, 都是断裂剧烈活动的地区。近十年来,我国地震活动较频繁, 因而城市抗震防灾尤为重要。
二、基于强度的设计方法
基于强度的设计方法包括：静力法、反应谱法、时程分析法。
静力法始创于意大利，发展于日本。1900 年大森房吉提出了地震烈度表的概念，静力等效水平最大加速度amax作为地震烈度的绝对指标，提出结构物所受地震力F 可写为如下形式：
F =amaxW/g=KW
式中W 为结构物各部分重量，K 为地面运动加速度峰值amax 與重力加速度g 的比值，称为地震系数。该法假设结构物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。从动力学理论看，该法的缺陷在于，忽略了结构物本身的动力特性。只有当结构近似于刚体时，弹性静力法才能近似成立。反应谱法则考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系，又保持了原有静力理论的形式。该方法早在60 年代就广泛为各国规范所采用，而且至今仍然是我国和世界上许多国家结构抗震设计规范中地震作用计算的理论基础。
VO = kβ (T )W
式中， β (T )为加速度反应谱Sa(T )与地震动最大加速度之比，表示结构物加速度放大倍数。基于弹性假设的反应谱是一种拟动力分析方法，能反应地震动强度和平均频谱特性，但是难以反应结构开裂后进人非弹性阶段的特性。建立在计算机程序分析基础上的非线性时程分析法，是目前评价桥梁地震行为中相对而言最成熟、最完善的方法。但是该方法在现有桥梁抗震性能评价的应用中还是存在着一些问题。非线性时程分析方法的技术复杂，计算工作量大，结果处理繁杂，并且结果的准确性很大程度上都依赖于输人的地震波，然而在同一地区不可能发生完全相同的两次地震。所以时程分析所选用的地震波实际上不能真正反映该地区未来可能发生的地震作用情况，分析结果具有较大的偶然性。
三、基于结构的抗震方法
为了提高结构的抗震性能, 1995 年美国学者Bertero 等人提出了基于性能的抗震设计〔PBSD)思想。由于这一问题的复杂性和开放性, 迄今为止, 基于性能的抗震设计仍然处于框架阶段, 许多技术问题需要进一步研究解决, 包括性能水准、非结构构件的设计以及性能目标的量化等等。PBSD 的核心内容包括, 提出了四种结构性能水准和地震设防水准以及三种性能目标。其特点集中体现在四个方面, 即建筑结构性能水准、性能目标以及设防水准的具体化；追求服务期内建筑物的“最佳经济效益—成本比”；提供最低性能目标要求, 强调业主参与的个性化; 重视建筑物的系统工程。结构抗震性能目标的确定, 包括选取合理的性能参数和设定预期的性能目标, 是基于性能抗震设计的基础。性能目标的量化可以有多种形式, 诸如位移、能量或损伤目标等。地震损伤是破坏结构使用功能和导致结构倒塌的主要原因。PBSD 提出的意义在于两个方面, 一则强调地震工程的系统性和社会性; 二则对现行抗震规范中设计原则不合理之处进行修订。
四、设计问题的分析与解决
1、总体设计中问题的解决策略
总体设计是桥梁抗震设计的基础，而桥位的选择则是桥梁抗震总体设计过程的核心。在选择桥址时，需避开地震时地基可能失效的松软土地，选择相对坚硬场地。坚实碎石地基、基岩、硬黏土地基可以说是比较理想的桥址地；人工填土、饱和松散粉细砂、极软的黏土地基和不稳定坡地则都属于危险地区。拱桥在设计中需要避免跨越地质断层，在特殊困难的情况下则必须进行安全性评价。
选址之外，总体抗震设计中的桥梁选型也是一个重要步骤。桥梁选型应结合地质条件、地形条件、震害经验、工程规模等因素，综合考虑后选择合理的桥型以及墩台、基础型式。在选型过程中要采用经济合理、技术先进、便于修复加固的桥梁结构体系。同时还要考虑采用型钢混凝土结构等减震结构。桥孔应该尽量选择有利抗震的等跨布置，同时尽可能避免高墩、大跨的结合。需要做到自重轻、体形简单、刚度与质量均匀分布、便于施工、重心低。位于震后可能形成泥石流的沟谷上方的桥梁，孔跨与桥下净高应根据地质、地形的情况酌情增大。
2、减震设计中应当注意的要点
结构刚度对称格外有利于抗震,而不等跨桥梁则更容易发生震害。尤其是桥梁墩身高度差距过大时,较矮的桥墩上将产生极大的水平地震力，大跨径桥孔的桥墩上也会产生很大的地震力。设计上需要尽可能避免在高烈度区选用这种桥型，若无法避免这种情况，则应当在不利墩上采取抗震支座等消能措施以降低桥墩墩顶集成刚度。
斜桥的抗震性能是比较低的。由于其抗推刚度很大，在高烈度区，桥墩的基本周期动力放大系数也很大，这种情况会直接导致震灾加剧。此外，地震时桥台处河岸不稳，容易向河心移动，缩短桥长，使得桥孔发生扭转或错动，进而导致墩台的台身折断或开裂。在地基条件允许的情况下，台身可以做成U 型或者T 型等整体性较强、抗推刚度高的形状，也可以采取埋置式。松软的地基上建造的桥梁应该当正交，同时适当加大桥长，尽可能将桥台置于稳定的河岸上。
在可能出现地震液化现象的地基上建造桥梁时，需采用深基础，让桩与沉井穿透可能液化土层，埋入较稳定密实的深层土质。加强桥体下部的支撑梁板或者采用满河床铺砌，尽可能保持四铰框架结构，严防墩台在震灾发生时移动。
高烈度地区大跨径桥梁抗震设计过程中，纵向梁间要设置消能设施，所设计的设施要有足够的强度，同时还需要满足梁端位移的要求。除此之外，为了防止落梁，需注意加强上、下部结构间的联系。桥梁的支座采用的销钉、锚栓、剪力键等部件都要有足够的强度。
3、地震影响的分析与设计方法的优化
随着人们对结构动力特性的理解逐渐加深，已经建立了多种抗震设计相关理论与地震响应分析设计方法。从地震波的频谱、振幅、持续时间这3 个要素来看，抗震设计静力理论主要研究了高频振动的振幅最大值；反应谱的理论虽然考虑了振幅与频谱两个要素，但是持续时间则始终不能得到明确的表达；动力理论是相对完善的理论，在考虑地震持续时间的同时还考虑到诸多地动反应谱中不能完全概括的特性。
从结构和构件的动力模型、输入地震动、实用的地震反应分析方法、抗震结构设计原则这4 个结构抗震设计理论的基本内容来看，静力理论对上述4 方面因素作出了很大程度上的简化，而反应谱的理论也作出了相对较大的简化，最为全面的动力理论则考虑的相对完善、复杂，动力理论的输入地震动需要给出具有概率含义、符合场地情况的加速度的时间函数，更复杂结构则需给出3 个分量以及空间相关性。结构与构件的动力模型更加接近实际情况，动力模型中包含了非线性特性。地震反应分析法综合考虑了出现震灾时抗震结构的反应过程，包括能量损耗积累与变形，而设计原则考虑到了多种使用状态下的安全概率保证。
结论
目前用于桥梁抗震设计的方法很多, 各有优缺点, 大部分都是基于计算机程序化计算。在实际工程实践中, 应根据不同的结构形式和设计要求合理选择抗震设计方法。在当前的桥梁抗震设计方法中最为常用的是反应谱法和动力时程分析方法, 但是对于桥梁结构中的高墩、大跨结构应进行动力时程分析方法, 考虑桩— 土相互作用与行波效应来合理真实地模拟结构的地震响应, 以保证桥梁的安全性。
【参考文献】
[1] M.J.N.普瑞斯特雷.赛勃勒.G.M.卡尔维.桥梁抗震设计与加固[M].北京：人民交通出版社.
[2] 范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社.
【关键词】桥梁 抗震 设计
中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
我国是世界上多地震国家之一，地震具有强度大、频度高、震源浅的特点，从地震构造上看, 都是断裂剧烈活动的地区。近十年来,我国地震活动较频繁, 因而城市抗震防灾尤为重要。
二、基于强度的设计方法
基于强度的设计方法包括：静力法、反应谱法、时程分析法。
静力法始创于意大利，发展于日本。1900 年大森房吉提出了地震烈度表的概念，静力等效水平最大加速度amax作为地震烈度的绝对指标，提出结构物所受地震力F 可写为如下形式：
F =amaxW/g=KW
式中W 为结构物各部分重量，K 为地面运动加速度峰值amax 與重力加速度g 的比值，称为地震系数。该法假设结构物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。从动力学理论看，该法的缺陷在于，忽略了结构物本身的动力特性。只有当结构近似于刚体时，弹性静力法才能近似成立。反应谱法则考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系，又保持了原有静力理论的形式。该方法早在60 年代就广泛为各国规范所采用，而且至今仍然是我国和世界上许多国家结构抗震设计规范中地震作用计算的理论基础。
VO = kβ (T )W
式中， β (T )为加速度反应谱Sa(T )与地震动最大加速度之比，表示结构物加速度放大倍数。基于弹性假设的反应谱是一种拟动力分析方法，能反应地震动强度和平均频谱特性，但是难以反应结构开裂后进人非弹性阶段的特性。建立在计算机程序分析基础上的非线性时程分析法，是目前评价桥梁地震行为中相对而言最成熟、最完善的方法。但是该方法在现有桥梁抗震性能评价的应用中还是存在着一些问题。非线性时程分析方法的技术复杂，计算工作量大，结果处理繁杂，并且结果的准确性很大程度上都依赖于输人的地震波，然而在同一地区不可能发生完全相同的两次地震。所以时程分析所选用的地震波实际上不能真正反映该地区未来可能发生的地震作用情况，分析结果具有较大的偶然性。
三、基于结构的抗震方法
为了提高结构的抗震性能, 1995 年美国学者Bertero 等人提出了基于性能的抗震设计〔PBSD)思想。由于这一问题的复杂性和开放性, 迄今为止, 基于性能的抗震设计仍然处于框架阶段, 许多技术问题需要进一步研究解决, 包括性能水准、非结构构件的设计以及性能目标的量化等等。PBSD 的核心内容包括, 提出了四种结构性能水准和地震设防水准以及三种性能目标。其特点集中体现在四个方面, 即建筑结构性能水准、性能目标以及设防水准的具体化；追求服务期内建筑物的“最佳经济效益—成本比”；提供最低性能目标要求, 强调业主参与的个性化; 重视建筑物的系统工程。结构抗震性能目标的确定, 包括选取合理的性能参数和设定预期的性能目标, 是基于性能抗震设计的基础。性能目标的量化可以有多种形式, 诸如位移、能量或损伤目标等。地震损伤是破坏结构使用功能和导致结构倒塌的主要原因。PBSD 提出的意义在于两个方面, 一则强调地震工程的系统性和社会性; 二则对现行抗震规范中设计原则不合理之处进行修订。
四、设计问题的分析与解决
1、总体设计中问题的解决策略
总体设计是桥梁抗震设计的基础，而桥位的选择则是桥梁抗震总体设计过程的核心。在选择桥址时，需避开地震时地基可能失效的松软土地，选择相对坚硬场地。坚实碎石地基、基岩、硬黏土地基可以说是比较理想的桥址地；人工填土、饱和松散粉细砂、极软的黏土地基和不稳定坡地则都属于危险地区。拱桥在设计中需要避免跨越地质断层，在特殊困难的情况下则必须进行安全性评价。
选址之外，总体抗震设计中的桥梁选型也是一个重要步骤。桥梁选型应结合地质条件、地形条件、震害经验、工程规模等因素，综合考虑后选择合理的桥型以及墩台、基础型式。在选型过程中要采用经济合理、技术先进、便于修复加固的桥梁结构体系。同时还要考虑采用型钢混凝土结构等减震结构。桥孔应该尽量选择有利抗震的等跨布置，同时尽可能避免高墩、大跨的结合。需要做到自重轻、体形简单、刚度与质量均匀分布、便于施工、重心低。位于震后可能形成泥石流的沟谷上方的桥梁，孔跨与桥下净高应根据地质、地形的情况酌情增大。
2、减震设计中应当注意的要点
结构刚度对称格外有利于抗震,而不等跨桥梁则更容易发生震害。尤其是桥梁墩身高度差距过大时,较矮的桥墩上将产生极大的水平地震力，大跨径桥孔的桥墩上也会产生很大的地震力。设计上需要尽可能避免在高烈度区选用这种桥型，若无法避免这种情况，则应当在不利墩上采取抗震支座等消能措施以降低桥墩墩顶集成刚度。
斜桥的抗震性能是比较低的。由于其抗推刚度很大，在高烈度区，桥墩的基本周期动力放大系数也很大，这种情况会直接导致震灾加剧。此外，地震时桥台处河岸不稳，容易向河心移动，缩短桥长，使得桥孔发生扭转或错动，进而导致墩台的台身折断或开裂。在地基条件允许的情况下，台身可以做成U 型或者T 型等整体性较强、抗推刚度高的形状，也可以采取埋置式。松软的地基上建造的桥梁应该当正交，同时适当加大桥长，尽可能将桥台置于稳定的河岸上。
在可能出现地震液化现象的地基上建造桥梁时，需采用深基础，让桩与沉井穿透可能液化土层，埋入较稳定密实的深层土质。加强桥体下部的支撑梁板或者采用满河床铺砌，尽可能保持四铰框架结构，严防墩台在震灾发生时移动。
高烈度地区大跨径桥梁抗震设计过程中，纵向梁间要设置消能设施，所设计的设施要有足够的强度，同时还需要满足梁端位移的要求。除此之外，为了防止落梁，需注意加强上、下部结构间的联系。桥梁的支座采用的销钉、锚栓、剪力键等部件都要有足够的强度。
3、地震影响的分析与设计方法的优化
随着人们对结构动力特性的理解逐渐加深，已经建立了多种抗震设计相关理论与地震响应分析设计方法。从地震波的频谱、振幅、持续时间这3 个要素来看，抗震设计静力理论主要研究了高频振动的振幅最大值；反应谱的理论虽然考虑了振幅与频谱两个要素，但是持续时间则始终不能得到明确的表达；动力理论是相对完善的理论，在考虑地震持续时间的同时还考虑到诸多地动反应谱中不能完全概括的特性。
从结构和构件的动力模型、输入地震动、实用的地震反应分析方法、抗震结构设计原则这4 个结构抗震设计理论的基本内容来看，静力理论对上述4 方面因素作出了很大程度上的简化，而反应谱的理论也作出了相对较大的简化，最为全面的动力理论则考虑的相对完善、复杂，动力理论的输入地震动需要给出具有概率含义、符合场地情况的加速度的时间函数，更复杂结构则需给出3 个分量以及空间相关性。结构与构件的动力模型更加接近实际情况，动力模型中包含了非线性特性。地震反应分析法综合考虑了出现震灾时抗震结构的反应过程，包括能量损耗积累与变形，而设计原则考虑到了多种使用状态下的安全概率保证。
结论
目前用于桥梁抗震设计的方法很多, 各有优缺点, 大部分都是基于计算机程序化计算。在实际工程实践中, 应根据不同的结构形式和设计要求合理选择抗震设计方法。在当前的桥梁抗震设计方法中最为常用的是反应谱法和动力时程分析方法, 但是对于桥梁结构中的高墩、大跨结构应进行动力时程分析方法, 考虑桩— 土相互作用与行波效应来合理真实地模拟结构的地震响应, 以保证桥梁的安全性。
【参考文献】
[1] M.J.N.普瑞斯特雷.赛勃勒.G.M.卡尔维.桥梁抗震设计与加固[M].北京：人民交通出版社.
[2] 范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社.