桥梁震害分析与抗震设计新方法研究

邢 扬 张国江

(中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066205)

P=KHW=AmaxW/g

F=KβW



桥梁震害分析与抗震设计新方法研究

邢 扬 张国江

(中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066205)

对桥梁的震害机理和破坏形式进行了系统分析，阐述了桥梁抗震设计的研究现状及抗震设计新方法的研究进展，并通过一实例对新旧抗震设计方法进行了对比，指出抗震设计新方法的运用可有效提高桥梁的抗震性能。

桥梁，震害，抗震设计，新方法

地震因其具有突发性强、破坏性大、防御难度大等特点而被列为世界自然灾害之首。世界上主要有三大地震带：环太平洋地震带、欧亚地震带和海岭地震带。我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，是世界上多地震国家之一。

作为陆地交通咽喉的桥梁，在整个交通系统中起着关键作用。然而，当地震发生时，桥梁极易发生破坏，且难以修复，从而给后续的抗震救灾工作造成极大的困难，使次生灾害加重。2008年汶川特大地震中，各类交通基础设施损毁的直接经济损失高达670亿元。上述地震灾害的惨痛教训，使得国内外研究人员和工程设计人员对桥梁抗震方面的研究极为重视。

为了有效减轻地震对桥梁造成的损伤、提高桥梁的抗震能力，作者对桥梁震害及抗震设计方法进行系统分析与论述。首先，对桥梁的震害机理和破坏形式进行系统分析；然后，阐述桥梁抗震设计的研究现状及一些新方法的研究进展；最后，通过一实例对新旧抗震设计方法进行对比，来说明抗震设计的新方法在提高桥梁抗震性能方面的优越性。

1 桥梁震害机理及破坏形式

1.1 桥梁震害机理

已有研究成果表明[7-]9〗，引发桥梁震害的原因主要有四类，如图1所示。

1.2 桥梁震害破坏形式

按照桥梁震害所发生的位置，可将桥梁震害的破坏形式分为两类[10-14]：

1)上部结构破坏。主要形式为梁体偏移及落梁、支座破坏、伸缩缝和挡块破坏等(见图2，图3)。

2)下部结构破坏。主要形式为墩台破坏、软弱地基失效造成的破坏等(见图4，图5)。

2 桥梁抗震设计研究现状

2.1 基于强度的设计方法[16]

基于强度的设计方法主要有静力法、反应谱法和时程分析法[17]。

1)静力法。

静力法表达式为：

P=KHW=AmaxW/g

(1)

其中，W为结构重力，N；KH为水平地震系数，KH=Amax/g；Amax为地震动的最大水平加速度，m/s2；g为重力加速度，m/s2。

2)反应谱法。

其表达式为：

F=KβW

(2)

式中：F——作用在单自由度弹性体系结构的地震荷载或底部剪力，N；

W——结构重力，N；

K——地震系数,K=Xmax/g；

Xmax——地震动的最大加速度，m/s2；

g——重力加速度，m/s2；

β——动力放大系数，且是结构自振周期T和临界阻尼比ξ的函数。

3)时程分析法[16]。

该方法主要是建立地震振动方程，然后对振动方程进行求解，得到地震过程中桥梁每一瞬时的速度、加速度、位移等指标，最后通过分析这些指标来得到桥梁的内力变化情况和损伤甚至倒塌的全过程。但由于任何地区都不可能发生两次完全相同的地震，所以时程分析法中所输入的地震波不能准确反映出该地区未来可能发生的地震情况，所得结果具有极大的偶然性。

2.2 基于性能的设计方法

基于性能的设计方法主要有推倒分析法、能力谱法、基于位移的设计方法和基于地震损伤性能的设计方法等[17]。

推倒分析方法是一种与反应谱法相结合的静力弹塑性分析方法。它首先对结构施加单调递增的水平荷载，然后通过分析结构的非线性性能，从而判断出结构或构件的变形、受力情况是否满足抗震设计要求。

3 桥梁抗震设计新方法

3.1Caltrans新抗震设计方法[18]〗

首先，Caltrans将普通桥梁分为标准桥梁和非标准桥梁，且二者之间没有冲突。其次，该方法不建议将非弹性装置全部设置到混凝土构件上，而建议多设置在桥墩、耳墙、背墙、侧墙等部位。最后，由于Caltrans抗震设计方法主要基于桥梁位移，因此Caltrans认为，与结构外形和塑性铰转动能力有关的有效位移能力能够用非弹性静力分析方法来确定。

3.2ATC-18联邦公路总署推荐标准[19]〗

在ATC-18联邦公路总署推荐标准中，地震被分为两种情况来研究：当地震级别较低时，桥梁只允许发生轻微损伤；当地震级别较高时，桥梁允许发生损伤，但不能发生倒塌现象。该方法既承认现行的AASHTO抗震性能分类，又要求设计者要基于位移进行桥梁抗震设计，并通过适当的非线性反应谱来得到强度和刚度。

4 桥梁抗震设计新方法的应用

1995年1月17日清晨5：45，日本兵库县神户市西南部发生里氏7.3级强烈地震。阪神公路3号线内按老式桥梁抗震方法设计的桥梁和5号线内按新式抗震方法设计的桥梁形成了鲜明对比，地震发生后3号线内的桥梁几乎全部倒塌，而类似情况并未在5号线内的桥梁上发生。这充分说明这些抗震设计新方法的应用大大提高了桥梁的抗震性能。

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Bridgeseismicdamageanalysisandnewseismicdesignmethods

XingYangZhangGuojiang

(China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co., Ltd, Qinhuangdao 066205, China)

Theseismicdamagemechanismanddestroyformsareanalyzedinthispaperandthestudystatusandsomenewmethodsofbridgeseismicdesignareexpounded.Intheend,bycomparingwiththeoldseismicdesignmethods,pointsouttheadopionofnewmethodsforanti-seismicdesigncanpromotebridges’anti-seismicperformanceeffectivelyaccordingtoexamples.

bridge,seismicdisaster,seismicdesign,newmethod

1009-6825(2015)01-0159-02

2014-10-21

邢 扬(1987- )，男，硕士，助理工程师； 张国江(1988- )，男，助理工程师

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