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桥梁抗震设计理念发展及应用 摘要：随着社会经济的高速发展、科学技术的日新月异、城市化进程的飞速提高、人口分布的高度密集，交通网络在整个生命线抗震防灾系统中的作用越来越重要。桥梁结构是生命线工程的重要组成部分，在交通运输工程中起着举足轻重的作用，在抗震救灾中处于极其重要的地位，因此桥梁抗震设计至关重要。 关键词：抗震防灾；桥梁结构；抗震设计 1.引言 中国的地震活动频繁、分布地理宽泛，是一个震灾严重的国家，从20世纪以后的记录来看，中国人口死于地震的人数已经超过55万，占全球地震死亡人数的一半以上；建国至今，高达上百次的地震波及我国几乎大部分城市，其中波及东部地区10个以上的省份，造成将近30万人丧生，对全国各种灾害死亡人数进行统计发现，因地震而丧生的人数高达50%以上，地震成灾面积30多万平方公里，倒塌房屋上百万间。1967年河北唐山发生7.8级地震，2008年四川汶川发生8.0级地震，2010年青海玉树发生7.1级地震等等，这些地震都给我们带来了惨重的代价。显然地震严重威胁了我国人民的人身财产安全。 2.抗震设计 众所周知，地震发生时，建筑物的倒塌是造成人员伤亡的主要因素，而在救灾过程中，交通运输工程是最为重要的一环，它决定着救灾队伍能否及时赶到灾区进行救援工作，桥梁工程作为交通工程的重要组成部分，更要经得起地震的考验。因此，桥梁的抗震设计至关重要。 对国内外近年来发生的大地震中桥梁震害分析表明，桥梁结构可能出现的典型震害有：主梁结构性损伤，即因地震造成主梁开裂，相邻梁碰撞造成的损伤和落梁；桥墩破坏；盖梁节点区域破坏；墩-梁支承连接件震害（支座破坏）；桥台损伤或破坏；地基、基础震害；伸缩缝及桥面连续震害；地质灾害引起桥梁的破坏或倒塌。 2.1抗震设计方法的发展 多年来学者们研究了多种桥梁抗震设计方法，应用最早的为静力法，这种方法计算简单，将因地震作用而施加在结构上的力看成地面加速度和结构质量的乘积所产生的惯性力，但此种方法也有很多的局限性，如没有考虑到结构的动力特性，同时还有将结构视为刚体的限制条件。所以应用静力法需要一定的使用范围，同时静力法也会容易导致设计人员对结构的抗震能力的误判。 随着学者们的深入研究，静力法也暴露出越来越多的缺陷，学者们开始着手研究新的抗震设计方法，动力法即反应谱理论作为一种新的抗震设计方法被广泛使用，该方法充分考虑到结构的动力特性，但是在抗震设计应用时发现反应谱理论不能够真实的反映许多复杂的问题。 动态时程分析方法是学者们提出的一种新的抗震设计方法，这种方法是将实际的地震波数据或者人工模拟的地震波通过计算机进行输入，建立结构计算模型，来反应在整个地震波作用下结构的响应情况，动态时程分析法可以将地震运动分成很多段，如可以将时间增量划分的特别细致，从而可以查看结构在每一瞬时的响应情况。因此被公认为最精确的分析方法。同时能够考虑桩-土效应、地震空间效应等各种复杂的非线性影响。 基于性能的抗震设计方法是美国学者提出的一种抗震设计方法，常用的有Pushover分析方法、能力谱方法以及位移影响系数方法等。 2.2抗震设计理念的转变 抗震设计理念也在不断的深入，由传统的抗震设计方法到延性设计方法的转变，再逐步向减隔震设计方法转变[1][2]。这三步走的变化体现了人们攻克地震对建筑物带来危害的决心。 （1）传统的抗震设计方法 传统的抗震设计往往是通过增加结构自身的强度、刚度抵御地震作用，这种以刚克刚的作法在大部分情况下并不能反映结构构件的真实非线性地震响应及破坏失效规律，从而带来不理想的结果。由于地震作用的随机性，可能超出人们预估的范围而使结构产生严重破坏或倒塌，造成重大的经济损失或人员伤亡。 （2）延性设计 延性抗震理论是通过结构选定部位的塑性变形来抵抗地震作用的。将结构部分构件设计成具有较好的滞回延性，在预期的地震动作用下，通过延性构件发生的反复弹塑性变形循环耗散掉大量的地震输入能量，从而保证结构的安全。该设计方法一度被广泛应用，但并没有增加结构的抗震能力，一旦发生强震作用于结构上时，结构构件的损伤是不可避免的。 （3）减隔震设计 减隔震在抗震设计中属于被动控制技术，是简便、经济、先进的工程抗震手段。减、隔震体系通过增大结构主要振型的周期，使其落在地震能量较少的范围内或增大结构的能量耗散能力来达到减小结构地震反应的目的。目前此种方法已被广泛应用于桥梁的抗震设计中。 3.桥梁抗震装置应用 减隔震设计方法中，耗能减震作为常用的一种设计方法已被广泛应用于世界各项结构工程中，例如建筑领域当中的防屈曲耗能支撑装置作为一种耗能减震技术因其显著的优点得到了广泛的认可，现已被应用到桥梁工程中，如日本大阪港大桥；再如现在常把一些减隔震支座和阻尼器安装到桥梁结构上，利用其自身性能对地震能量进行吸收耗散，进而保护桥梁结构在地震的考验下不被破坏，例如弹性支座、铅芯橡胶支座、滑动摩擦摆、金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、黏滞阻尼器，调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器等装置。如国内多座桥梁已采用黏滞阻尼器改善结构的抗震性能，如鹅公岩大桥、卢浦大桥、苏通大桥、东海大桥、江阴长江大桥等[3]，它们良好的耗能性能也得到了最好的验证。 4.桥梁抗震设计常用软件 随着科学技术的快速发展，有限元软件被广泛应用于土木工程、机械工程等领域。有限元软件的发展给桥梁抗震设计带来了许多便利因素，在桥梁抗震设计中常用的有限元软件包括MIDAS，ANSYS，SAP2000等，这些有限元软件具有多种单元库，可以满足不同的建模需求，比如在MIDAS中常用非线性连接单元模拟耗能减震装置，这些非线性单元的类型有粘弹性耗能器、间隙、钩、滞后系统等类型的非线性连接单元，通过有限元软件进行建模分析，可以清晰的得到在不同地震波作用下，桥梁结构各关键位置每一瞬间的响应值，包括弯矩值、剪力值、位移值等，通过数据分析，判断桥梁抗震设计的合理性，通过不同方案的对比，进而选取最佳方案。 5.结语 随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展，对交通线的依赖越来越强，而桥梁是交通线中关键的部分，一旦地震发生造成桥梁严重破坏，就会切断震区交通生命线，造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害加重，将会导致巨大的经济损失。因此，在桥梁最初方案设计时，应根据选址地区相关地址资料进行合理的桥梁抗震设计，以达到抗震设防要求。 参考文献： [1]李建中，廖元裳，王克丽.桥梁的减震设计与分析[J].桥梁建设，1998. [2]李建中，袁万城，范立础.桥梁减震优化设计[J].计算结构力学及其应用，1995. [3]彭伟，李建中.黏滞阻尼器用于桥梁减震控制的几个问题及研究现状[J].公路交通科技，2016. 本文来源：https://www.dywdw.cn/d15f72a4c081e53a580216fc700abb68a982ad99.html
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2022-05-25
