桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法

李博

为解决桥梁建设中的抗震设计与抗风设计问题，本文结合桥梁工程实际情况，在简述桥梁震害形式的基础上，对其抗震与抗风设计进行深入分析，提出相应的设计理念与方法，以期为相关人员提供参考。

X005分离式立交、K221+607.974互通主线、GK0+815.888匝道桥、K222+864.5分离式立交、K224+774.554分离式立交桩基根据实际地质情况选择旋挖钻机成孔，采用导管法灌注混凝土。地系梁采用挖掘机进行基坑开挖，大块钢模进行浇筑。桥梁墩柱、台帽采用大块组合钢模板，圆柱墩采用定制模型进行浇筑。X005分离式立交30片25m预制箱梁、立交桥30片25m预制箱梁均在一号梁场集中预制，K221+607.974互通主线250片25m、30m预制箱梁、GK0+815.888匝道桥76片25m、30m预制箱梁、K222+864.5分离式立交30片40m预制箱梁、K224+774.554分离式立交80片29m预制箱梁均在二号梁场集中预制。预制采用定型钢模，在台座上预制成型；
箱梁混凝土一次浇注完成，混凝土浇注成型。箱梁混凝土达到设计强度的100%后，且混凝土龄期不小于7d时，张拉预应力钢束；
施加预应力采用张拉力和伸长量双控。箱梁架设采用龙门吊调运，运梁平车运输和履带吊+汽车吊架设。

K206+423、K214+794.8、K215+465、K220+351.2、CK0+411.6、FK0+615.462、GK0+229.229、K220+351.2、K222+195.5（1-13）桥式通道桩基根据实际地质情况选择旋挖钻机成孔，采用导管法灌注混凝土。承台、地系梁采用挖掘机进行基坑开挖，大块钢模进行浇筑。桥梁墩柱、台帽采用大块组合钢模板，圆柱墩采用定制模型，墩身分两次浇筑，第一次浇筑至中系梁，第二次浇筑至墩顶。盖梁底模支架采用托架法，托架的承托采用钢箍，外模采用大块钢模，采用吊车作为吊装设备。钢筋均在钢筋集中加工场加工成型后，运至施工现场安装。K206+423通道桥27片13m预制T梁、K214+794.8通道桥22片13m预制T梁、K215+465通道桥22片13m预制T梁均在一号梁场集中预制，K220+351.2通道桥22片13m预制T梁、CK0+411.6通道桥9片13m预制T梁、FK0+615.462通道桥10片13m预制T梁、GK0+229.229通道桥8片13m预制T梁、K220+351.2通道桥22片13m预制T梁、K222+195.5通道桥31片13m预制T梁均在二号梁场集中预制。T梁预制采用定型钢模，在台座上预制成型；
T梁混凝土达到设计强度的100%后，且混凝土龄期不小于7d时，张拉预应力钢束；
施加预应力采用张拉力和伸长量双控。T梁架设采用龙门吊调运，运梁平车运输和履带吊+汽车吊架设。

根据桥梁历史震害情况，除断层和液化等由于地基失效造成的破坏外，对混凝土桥梁而言，还包括以下几种常见破坏形式：

（1）弯曲破坏

桥梁结构受水平方向地震荷载持续作用后因产生明显变形使混凝土保护层发生脱落，或钢筋压屈，或内部混凝土发生崩裂或被压碎，导致结构丧失应有的承载力。该过程包含下列四个阶段：

第一阶段为在弯矩水平达到开裂强度后，在截面产生沿水平方向分布的弯曲裂缝；

第二阶段为伴随裂缝不断发展与荷载强度不断提高，布置在受拉侧的纵向钢筋受到的强度达到屈服强度；

第三阶段为伴随变形量不断增大，保护层发生脱落，且塑性铰范围也明显增大；

第四阶段为钢筋压屈或被直接拉断，导致内部混凝土发生崩裂或被压碎。

（2）剪切破坏

受水平方向地震荷载持续作用后，结构所受剪切力在达到截面剪切强度后就会出现剪切破坏，该破坏过程包含下列四个阶段：

第一阶段为截面弯矩强度达到开裂或，在截面上会出现沿水平方向分布的弯曲裂缝；

第二阶段为伴随裂缝不断发展以及荷载强度不断提高，将在柱内产生沿斜向分布的剪切裂缝；

第三阶段为局部产生的剪切裂缝不断增大，由于箍筋屈服使剪切裂缝显著增大；

第四阶段为出现脆性剪切破坏。

（3）落梁破坏

如果梁体沿水平方向发生的位移超出梁端有效支撑长度，就有可能发生这种破坏。该破坏的产生原因为梁和桥墩之间产生了很大相对位移，导致支座失去应有的约束能力。

（4）支座损伤

上部结构受到的地震惯性力会在支座作用下不断传递至下部结构，如果传递的荷载超出支座自身设计强度，则会使支座产生损伤与破坏。如果支座损伤，将造成落梁破坏。对桥梁的下部结构，一旦支座发生损伤能防止上部结构在地震荷载作用下发生破坏。

通过科学的抗震设计，能将桥梁震害降至最低，这就要求通过设计使桥梁结构的延性、强度与刚度等技术指标达到最佳组合，进而使结构体系达到经济，实现预期的抗震目标。要想真正实现这一目标，需要设计人员充分了解地震对桥梁结构造成的影响，同时还要具备一定创造力与相关经验，而并非完全按照规范要求执行。桥梁抗震设计理念与方法主要包含以下内容：

（1）场地选择

除了要通过对地震危险性进行的分析选择安全度较高的厂址，还要充分考虑地区范围内场地选择。对此应遵循以下各项基本原则：不选择地震发生后产生失效的场地，优先选择坚硬的场地。在地基达到稳定的基础上，还应充分考虑桥梁结构和地基之间的振动特性，尽可能减少共振可能造成的影响。对于软弱地基，在设计过程中要注意保证基础整体性，避免地震造成不均匀变形现象发生。

（2）结构体系整体性与规则性

桥梁有良好的整体性，其上部结构必然保持连续。良好的整体性能有效防止结构构件因受到地震作用而产生掉落，并且这也是使结构最大限度发挥出应有空间作用的前提条件。不论在平面或在立面，结构布置都应使几何尺寸、质量与刚度达到均匀、对称和规整，防止突然变化。

（3）能力设计原则

传统的设计思想提出，良好的设计应能使结构不同构件有相近的安全度，也就是结构中不能有薄弱环节存在。然而，因结构不同构件有不同的重要程度，这种传统的设计思想不完全适用，特别是对抗震结构而言。而能力设计思想注重的是强度安全度存在的差异，也就是在不同构件与破坏模式之间找出强度安全度及其存在的差异。根据这种差异，保证结构在受到大地震作用后能以延性的方式作出反应，避免脆性破坏。在我国过去的抗震设计过程中，大多采用以下几种设计思想：强柱弱梁、强剪弱弯和强节点弱构件，该思想实际上就是能力设计原则主要体现。

（4）多道抗震防线

通过抗震设计应能使桥梁整体成为一个可提供多道抗震侧力的结构体系，在受到强地震作用后，如果一道防线被突破，应能有第二道防线继续支撑整个结构，防止结构倒塌。基于此，超静定结构必然优于类型一致的静定结构。而对建筑结构而言，桥梁在此方面可充分利用的空间一般并不大。

（5）抗震概念设计

对于桥梁抗震设计，主要包含以下两方面范畴，即概念设计与参数设计。其中，概念设计指的是从概念角度入手确定抗震决策；
而参数设计指的是通过计算和验算等给出具体的抗震决策。长时间以来，设计人员开始认识到尽管计算得如此精确，只要结构方案不合适，或构造措施不合理，仍然无法达到预期的抗震水平和能力，这使得相关领域的人员开始认识到概念设计的重要意义。但需要注意，概念设计与参数设计往往相辅相成，要想保证最终的抗震设计效果，必须对概念设计引起足够的重视，对抗震设计思想进行灵活运营，不可盲目计算。

（6）提高结构延性

地震发生时造成的剪切破坏是导致桥梁结构产生致命破坏的主要原因，该破坏形式较为多见，是典型的脆性破坏。基于此，对结构延性进行改善是提高桥梁结构自身抗震性能的关键所在，必须引起设计人员的高度重视。为有效提高桥梁中抵抗惯性力影响的能力，避免结构发生损伤后造成倒塌，对桥梁的钢筋混凝土结构而言，可采取下列措施来改善结构延性：提高套箍效应、防止脆性剪切破坏发生和对损失截面进行严格控制。

（7）减隔震措施应用

减隔震是指充分利用结构自身振动周期特性与阻尼特性来有效减轻地震荷载，也就是通过提高阻尼与长周期化来吸收地震给结构施加的能量，进而降低地震荷载强度。就目前来看，已经出现很多减隔震措施，较为常用的有高阻尼叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座、滑动支座与各类阻尼装置等，同时都已经在抗震设计过程中得到广泛应用。尤其是前两者，在很多国家的抗震设计领域都实现了广泛普及。

桥梁设计根本目的在于保证结构体系的安全性与可靠性，使结构的强度和刚度符合要求，桥梁抗风设计自然也不例外，在设计的抗风设计过程中，需要注重以下几方面理念和方法。

（1）在桥梁设计确定的使用年限之内，在桥梁所在位置可能产生的最大风速条件下，桥梁主体结构不能产生可造成损毁的自激发散振动。

（2）在桥梁设计风荷载和其它类型作用的影响下，结构必须具备足够的抵抗强度与刚度，同时不能产生静力失稳的现象。

（3）对于结构自身的非破坏性风致振动，其振幅不能超过保证行车安全的极限值，同时还应尽量减小结构疲劳与对行车舒适性造成的影响。

（4）结构自身抗风能力可在设计过程中采取以下措施来提高：机械、气动或结构措施。

在自然风作用下会产生风致振动，对此在实际的抗风设计过程中应确保导致会造成危险的驰振或颤振发生的临界风速和桥梁设计风速比较有充足安全度，只有这样才能保证结构在不同阶段都表现出应有的抗风稳定性。此外，还应将涡激共振与抖振均控制在允许范围之内，防止结构疲劳或人感不适。

如果桥梁制定的最初方案无法满足抗风方面的要求，需要通过对设计的适当修改或引入一系列控制措施来提高结构体系自身抗风稳定性，同时降低由于风致振动产生的振幅。

在桥梁设计工作不同阶段，可结合实际情况针对不同精度要求进行抗风设计，或通过风洞试验来确定抗风设计方案。对普通大桥而言，在初步设计过程中，抗风分析可按照近似公式进行计算来确定不同方案对应的静风载内力与气动稳定性，在确定了初步方案以后，采用风洞试验的方法确定各项技术参数，完成抗风验算及风振分析。而对重要程度较高的桥梁而言，需要在初步设计过程中采用风洞试验的方法完成气动选型，以此为主梁断面形式的选择提供可靠依据。在桥梁的技术设计过程中，要对所选断面形式做详细深入的验算及分析，同时还要采用模型试验方法来确认最终分析结果。

根据以往的设计经验，在实际的抗风设计过程中，应掌握下列几项因素，从而更好的分析并把握设计全局：（1）风特性参数：采用调查并广泛收集当地气象资料掌握，根据收集到的信息确定合理的技术参数，以供抗风设计工作使用；
（2）桥梁动力特性，这是做好风振分析的重要基础，需建立适宜的力学模型，同时注意处理边界支撑条件；
（3）颤振临界风速，即桥梁产生发散性颤振现象的起始风速；
（4）抖振响应，抖振使受到紊流风持续作用后产生的随机振动，属于强迫振动范畴。

综上所述，抗震与抗风设计都是桥梁设计的主要工作内容，对保证桥梁结构安全和可靠都有重要意义，以上对桥梁结构的抗震和抗风设计进行了初步分析与总结，提出相应的设计理念与方法，旨在为实际的桥梁设计提供技术参考，保证抗震与抗风设计效果。