浅论桥梁抗震设计
2015-04-07
二零零八年五月十二日十四时二十八分——每个中华儿女都不会忘记也不应该忘记的时刻，四川汶川、北川发生里氏8.0级地震，地震造成69227人遇难，374643人受伤，17923人失踪。此次地震为新中国成立以来国内破坏性最强、波及范围最广、总伤亡人数最多的一次地震，地震带给人们的思考是深刻的，作为工程技术人员，如何在工作中保证工程的抗震性能是我们必须面对和思索的。
一、概念设计
地震是由构造地面运动、火山作用、滑坡、岩爆和人工爆破等引起的自然发生的地面振动，在邻近区域会引起很强的震害，既而造成人员伤亡及财产损失。人们对地震的探索和研究使公路桥梁的抗震设计准则不断地改进和提高。70年代以来，人们在总结大地震灾害经验中发现：由于地震动的不确定性和复杂性，再加上结构计算模型与实际情况的差异，使“计算设计”很难有效的控制结构的抗震性能，对桥梁抗震设计来说，“概念设计”比“计算设计”更为重要。结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。 在桥梁的方案设计阶段，不能仅仅根据功能要求和静力分析就决定方案的取舍，而要综合考虑桥梁的抗震性能，尽可能选择良好的抗震结构体系。
通过对现有的桥梁设计规范进行对比与总结，如今的桥梁抗震设计主要有下面一些理念：
1. 采用了“小震不坏，中震可修，大震不倒”三水准设防的抗震理念；
2. 采用了对应于中震和大震的强度和变形的两阶段设计方法。第一阶段的抗震设计，采用弹性抗震设计，即对应E1地震作用的抗震设计；第二阶段的抗震设计，采用延性抗震设计方法，并引入能力保护设计原则。即对应E2地震作用的抗震设计，能保证结构具有足够的延性能力，通过验算，确保结构的延性能力大于延性需求。
3. 采用两水平设防的设计方法。两水平的抗震设计方法要求结构在两个概率水平的地震作用下分别达到两个不同的性能标准。
4. 提出了能力保护设计原则。其基本思想是：通过设计，要求在一座桥梁的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性的破坏模式，确保塑性铰只在选定的位置如墩柱出现，并且不出现剪切破坏等破坏模式。它既保证了结构的延性，同时最大限度地避免了地震破坏的随机性。
5. 提出了基于性能的抗震设计方法。性能化设计仍然是以现有的抗震科学水平和经济条件为前提的，是立足于承载力和变形能力的综合考虑，可以对整个结构，也可以对某些部位或关键构件，灵活运用各种措施达到预期的性能目标——着重提高抗震安全性或满足使用功能的专门要求，具有很强的针对性和灵活性。对于确有需要在处于发震断裂避让区域建造的桥梁，可选择抗震性能化设计。
6. 定义了标准桥梁与非标准桥梁。非标准桥梁的特点是具有不规则的几何形状和结构框架（变宽度的、水平弯曲较大的上部结构、质量、刚度或高度不对称）及不寻常的地质条件（软土、中高潜在液化和接近地震断层）。标准桥梁不包括这些特征。
7. 引入了减隔震设计。在桥梁抗震设计中，引入隔震技术的目的就是利用隔震装置在满足正常使用的前提下，达到延长结构周期、消耗地震能量、降低结构响应的目的。但对基础土层不稳定、易于发生液化的场地，下部结构刚度小、桥梁结构本身的基本振动周期比较长等情况不宜采用隔震技术。
8. 给出了特殊桥梁抗震设计原则。特殊桥梁的大部分质量集中在上部结构，因而地震惯性力也主要集中在上部结构，采用良好的抗震结构体系能使各部分结构合理地分担地震力。斜拉桥在列席较高的地区优先考虑飘浮体系，若梁端位移过大则采用塔、梁弹性约束或阻尼约束体系；大跨径拱桥的主拱圈需采用抗扭刚度较大、整体性较好的断面形式，并加强拱肋之间的横向联系，以提高主拱圏横向刚度和整体性。
9. 加强和细化了抗震措施。桥梁结构地震反应越强烈，就越容易发生落梁等严重破坏现象，构造措施就越重要，高烈度区的桥梁结构需特别重视构造措施，但构造措施的使用不能与定量设计结果相矛盾，不能导致设计结果的失效。
二、桥梁抗震计算设计
桥梁抗震设计除了需要遵循以上的概念设计的相关规定外还需进行计算设计，抗震计算必须以地震场地运动为依据，可惜由于实际强震记录的不足，这个关键问题还未能很好的解决，因此仍然是结构抗震设计计算中最为薄弱的环节。目前主要根据桥址区地质构造情况、地震历史资料、场地情况并参考地面运动的记录来确定地震参数。
由于地震动过程本身带有随机过程的性质，设计计算中所用的地震动参数有具有不确定性，从而发展了两种地震力理论，一种是以地震运动为确定过程的确定性地震力理论，另一种是以地震运动为随机过程的概率性地震力理论。目前概率性地震力理论还不成熟，规范中普遍采用的是确定性地震力理论。
确定性地震力理论方法主要有静力法、动力反应谱法和动态时程分析法。
1、静力法
静力法是假定结构物与地震动具有相同的振动，把结构物在地面运动加速度作用下产生的惯性视作静力作用于结构物上做抗震计算。它的缺点是忽略了结构动力特性这一重要因素，只适用于刚度很大的结构，如重力式桥台等。
2、动力反应谱法
动力反应谱法同时考虑了地面运动和结构动力学特性的影响，比静力法有很大进步。
它以不同单自由度体系的周期为坐标，以不同阻尼比为参数，求出最大相对位移，最大相对速度，最大绝对加速度的谱曲线，分别简称为位移反应谱（SD）、速度反应谱（PSV）和加速度反应谱（PSA），这三条反应谱曲线合起来简称为反应谱。
反应谱方法巧妙的将动力问题静力化，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，是目前世界各国规范都把它作为一种基本的分析手段。
反应谱法也存在一些缺陷，如它只是线弹性分析方法，不能考虑各种非线性因素的影响；只能得到最大反应；存在振型组合问题；只重视强度，忽略了延性能力等。
3、动态时程分析法
对重要、复杂、大跨的桥梁，大多数国家的规范都建议采用动态时程分析法进行抗震计算。
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，计算地震过程中每一瞬时结构的位移、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、损坏直到倒塌的全过程。
动态时程分析方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等问题，可以同时保证桥梁的强度、变形，帮助工程师更清楚地震破坏机理。
在实际工作中，我们要运用桥梁抗震设计的设计思想，有效的完成桥梁设计工作，做好桥梁抗震设防，满足安全可靠、适用耐久、技术先进、经济合理与环境相协调的要求，更好的保证人民和国家的生命财产安全。
.参考文献
[1] 《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004-89）交通运输部1989
[2] 《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008） 交通运输部 2008.8
[3] 《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011） 住房和城乡建设部 2011.7
[4]陈惠发， 段炼等桥梁工程抗震设计，机械工业出版社，2008
[5] 《建筑抗震设计规范》 住房和城乡建设部 2010.5
[6] 《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）中国计划出版社 2006
