王濟(jì)源，李雪婷

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明650041）

1 引言

研究表明，引起橋梁振動(dòng)并造成破壞的主要因素包含船舶撞擊、風(fēng)、地震等。而相較于風(fēng)、船撞等其他因素來說，地震在其中扮演著重要的角色，全球范圍內(nèi)大部分的橋梁損壞都是由地震造成的。因此，降低橋梁震害產(chǎn)生的影響是目前首要解決的難題，人們可以結(jié)合現(xiàn)有環(huán)境的實(shí)際情況，充分利用抗震設(shè)計(jì)方法降低震害對(duì)橋梁帶來的危害。同時(shí)，要加強(qiáng)抗震理論的研究，使其在側(cè)重原有強(qiáng)度的同時(shí)向更加注重性能的方向轉(zhuǎn)變，為后續(xù)的研究和實(shí)踐提供參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 橋梁震害

地震發(fā)生的時(shí)間及地點(diǎn)具有不可預(yù)見性，并且具有持續(xù)時(shí)間短、能量釋放劇烈等特點(diǎn)[1]。通過大量震后的橋梁毀壞實(shí)際情況的實(shí)際調(diào)查及科學(xué)研究表明，橋梁地震危害主要包含下列4 個(gè)方面：

1）橋梁上部結(jié)構(gòu)。其主要出現(xiàn)在工程施工質(zhì)量以及地基未達(dá)到規(guī)定要求的情況中，相對(duì)來說發(fā)生頻率較低。

2）支座。在橋梁抗震減傷的需求方面，對(duì)于支座的設(shè)計(jì)往往未引起設(shè)計(jì)師的足夠重視，在橋梁結(jié)構(gòu)中連接與支檔之間構(gòu)造措施不足的問題時(shí)有發(fā)生，并且橋梁建設(shè)中時(shí)常出現(xiàn)支座材料質(zhì)量不高或型號(hào)不準(zhǔn)等問題，這極大地影響橋梁抗震的效果，成為目前橋梁抗震的薄弱環(huán)節(jié)。

3）落梁。落梁是經(jīng)常發(fā)生的一種位移震害。其發(fā)生的主要原因較多，包含但不限于橋臺(tái)的傾斜或倒塌、河岸邊際的滑坡、橋墩損壞、相鄰橋墩間出現(xiàn)較大的相對(duì)位移等。

4）下部結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)。每次橋梁震害發(fā)生過后都必須采取相對(duì)應(yīng)的震后檢查修復(fù)處理措施，但下部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)出現(xiàn)巨大的破壞時(shí)，往往具有不可逆性，目前還沒有較為良好的解決辦法。橋梁墩臺(tái)發(fā)生破壞主要是由河岸滑坡、沙土液化、地基下沉等因素引起的，且通過改善其抗震能力很難徹底消除其產(chǎn)生的危害。因此，這就要求設(shè)計(jì)師們從源頭入手，通過改變其橋梁位置、橋梁結(jié)構(gòu)形式等方面進(jìn)行有效的避免。震后橋梁受災(zāi)如圖1、圖2 所示。

圖1 橋梁倒塌

圖2 橋梁斷裂

綜上所述，人們需對(duì)可能出現(xiàn)的橋梁地震災(zāi)害進(jìn)行有效防范，進(jìn)一步降低或者避免橋梁震害帶來的影響?？梢詮南铝? 個(gè)角度入手：

1）從源頭出發(fā)，進(jìn)行宏觀把控，在橋梁位置以及橋梁結(jié)構(gòu)的選擇和決策上進(jìn)行有效控制，有效預(yù)防橋梁震害的發(fā)生；

2）對(duì)橋梁的抗震設(shè)計(jì)特別是下部基礎(chǔ)的抗震延性設(shè)計(jì)方面加以重視，降低橋震災(zāi)害發(fā)生的可能性；

3）注重抗震能力，可通過利用各類構(gòu)造方法進(jìn)一步對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和完善。

3 橋梁震害發(fā)生的主要原因

地震的瞬發(fā)性極強(qiáng)，并且伴隨著極大的破壞性，是一種能夠從多維度造成橋梁破壞的自然災(zāi)害[2]。橋梁是一個(gè)有機(jī)統(tǒng)一的整體，各個(gè)部位緊密聯(lián)結(jié)，相互影響。所以，必須從多角度對(duì)橋梁震害產(chǎn)生的原因加以分析。研究表明，產(chǎn)生的主要原因有以下幾點(diǎn)：

1）橋梁原有的支撐性受到破壞，無法維持良好的穩(wěn)定性，造成橋梁損壞。例如，橋臺(tái)發(fā)生重心偏移，相鄰橋墩發(fā)生錯(cuò)位或斷裂情況等。

2）地基下沉將會(huì)從底部影響橋梁的穩(wěn)定性，致使整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生下沉或坍塌，因此，地基基礎(chǔ)是完成高質(zhì)量橋梁結(jié)構(gòu)的首要條件，具有重要作用。

3）地震具有持續(xù)性，能夠不斷對(duì)橋臺(tái)、橋墩等橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互碰撞，發(fā)生不可避免的損害和破壞。

4）橋梁設(shè)計(jì)的好壞是決定橋梁抗震性能的先決條件，優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及安全有效的減震隔震措施能夠有效預(yù)防減少橋梁地震災(zāi)害。

4 橋梁抗震設(shè)計(jì)原理

根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件以及橋梁自身體系結(jié)構(gòu)的不同，致使橋梁發(fā)生損壞的地震作用十分復(fù)雜。雖然現(xiàn)今的分析技術(shù)得到了不斷的提升，理論體系也在不斷加強(qiáng)，但由于橋梁抗震設(shè)計(jì)原理是基于假設(shè)的條件下進(jìn)行計(jì)算及分析的，因此，需要注意的是，橋梁的實(shí)際情況與理論分析計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。下面對(duì)現(xiàn)有的幾種橋梁抗震設(shè)計(jì)原理進(jìn)行總結(jié)與分析[3]。

4.1 靜力法

靜力法是應(yīng)用較為常見的理論假設(shè)，其假定當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，不對(duì)其他相關(guān)因素進(jìn)行考量，提出橋梁各個(gè)部件之間的振動(dòng)與地震所產(chǎn)生的振動(dòng)完全相同，把橋梁結(jié)構(gòu)視為剛體，將動(dòng)力學(xué)問題轉(zhuǎn)變?yōu)殪o力學(xué)問題。但在實(shí)際情況中，除非橋梁的剛性程度達(dá)到極值，否則，二者的振動(dòng)是不可能完全相同的。因此，這種方法僅適合于剛度值極大的橋梁工程。

4.2 反應(yīng)譜法

反應(yīng)譜法是一種基于橋梁自身結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力學(xué)分析的提高抗震性能的方法，在公路橋梁建設(shè)中使用十分普遍。其主要是通過不斷試驗(yàn)來得出一系列的有關(guān)振動(dòng)數(shù)據(jù)，例如，主振型以及固有頻率等。由于不同部件的主振動(dòng)反應(yīng)譜曲線不同，可以對(duì)其振動(dòng)記錄進(jìn)行比較，確定其最高強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，從而對(duì)下一步地震承受級(jí)別進(jìn)行有效評(píng)估。

4.3 動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法

動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法是一種基于有限元分析法的利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的抗震設(shè)計(jì)分析方法，其成型較早，在1960 年第一次得到使用。主要通過多角度構(gòu)建大型橋梁建設(shè)工程不同節(jié)點(diǎn)的有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ?，通過計(jì)算假定地震發(fā)生時(shí)加速度出現(xiàn)的時(shí)程，得出數(shù)據(jù)模型并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行高效計(jì)算，達(dá)到精確求解的目的。但其對(duì)于設(shè)備以及技術(shù)的要求較高，因此，需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步優(yōu)化和改善。

5 橋梁抗震設(shè)計(jì)

5.1 地震區(qū)橋位和橋型選擇

橋梁位置以及橋型的選擇十分重要，這可有效降低由于地震帶來的橋梁破壞。在選擇時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意避免土層和地層分布十分不均勻的地段，并且需要在橋型選擇上注意橋梁的抗震性能以及整體結(jié)構(gòu)等。

5.2 設(shè)計(jì)烈度

進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的基本條件是橋梁的抗震設(shè)防烈度達(dá)到了6 度及其以上。

5.3 設(shè)計(jì)方法

對(duì)于一般的橋梁工程建設(shè)，需嚴(yán)格依據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而保障橋梁結(jié)構(gòu)能夠安全抗震。在面對(duì)一些性質(zhì)重要的或者需要進(jìn)行大跨度的橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)時(shí)，要根據(jù)其對(duì)應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，以此來降低橋梁震害帶來的影響。

通過對(duì)以前發(fā)生強(qiáng)震地區(qū)的強(qiáng)震記錄進(jìn)行分析，研究其加速度反應(yīng)譜可以得出如下結(jié)論：在地震反應(yīng)譜中可以看到，當(dāng)阻尼為0 時(shí)，峰點(diǎn)位置十分突出，并且反應(yīng)譜值達(dá)到最大，但當(dāng)阻尼（ζ=0.02）較小時(shí)，反應(yīng)譜的峰值則變得平滑許多。加速度反應(yīng)譜隨周期時(shí)間表現(xiàn)出不一樣的特性，當(dāng)周期較短時(shí)，加速度反應(yīng)譜變化較大；當(dāng)周期加長(zhǎng)時(shí)，跳動(dòng)幅度則明顯減小。

通過以上描述，人們對(duì)加速度反應(yīng)（設(shè)計(jì)反應(yīng)）譜進(jìn)行了編程，并將其應(yīng)用在抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中。通過不斷的優(yōu)化與完善，目前已將其寫入JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[4]當(dāng)中，在GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）中，通常將加速度反應(yīng)譜稱之為地震影響系數(shù)α曲線?？梢栽谥亓铀俣萭作為單位的條件下，在單質(zhì)點(diǎn)體系中用數(shù)值表達(dá)最大絕對(duì)加速度值。

通過反應(yīng)譜理論進(jìn)行地震分析時(shí)，可以利用多角度的體系線性動(dòng)力進(jìn)行地震反應(yīng)分析。雖然反應(yīng)譜法在地震強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的方向提供較好的解決措施與方法，但局限性也十分明顯，因?yàn)檫@是在基于一定的假設(shè)條件下完成的，無法對(duì)地震本身所具有的復(fù)雜性做出更加詳細(xì)的解釋與說明。主要的表現(xiàn)如下：反應(yīng)譜只存在于彈性范圍內(nèi)，并不適用于非彈性范圍的結(jié)構(gòu)分析；地震具有持續(xù)性，而反應(yīng)譜只能對(duì)地震發(fā)生時(shí)加速度最強(qiáng)的部分做出解釋，具有片面性；反應(yīng)譜具有單一性，只能對(duì)單個(gè)阻尼進(jìn)行分析，無法進(jìn)行多阻尼分析。

6 結(jié)語

綜上所述，橋梁是連接抗震救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的重要通道，因而對(duì)于橋梁的抗震設(shè)計(jì)決不能掉以輕心。在滿足國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的前提下高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)地完成橋梁建設(shè)?，F(xiàn)今，雖然地震具有不可預(yù)見性，但人們必須時(shí)刻保持警醒，提前做好安全防范措施。緊密結(jié)合橋梁施工的具體環(huán)境以及抗震級(jí)別要求，多重視橋梁結(jié)構(gòu)、各個(gè)部件連接方式以及橋墩主梁等的有機(jī)結(jié)合和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行提升和完善。