桥梁结构抗震设计与设防方法分析
时间：2023-06-03 10:25:19 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
黄柯娴
（江西省公路科研设计院有限公司，江西 南昌 330008）
在当前的桥梁结构设计中，有很多问题都会对桥梁结构的安全性、稳定性带来不利的影响，所以在具体的工作中，要积极学习先进技术与工艺，总结经验教训，考虑桥梁施工现场的实际情况，选择最佳的桥梁结构设计方案，进而使桥梁结构的抗震性能和参数符合实际应用的需要。在桥梁结构抗震设计阶段，应该对抗震设计的要点有足够的了解，选择合适的设防措施，从而提升设计的总体水平，对桥梁工程总体运行效果产生积极的意义。
桥梁是现代社会重要的基础设施，关系到人民群众生命健康以及社会发展，所以只有全面提升抗震系数，才能保证桥梁结构的稳定性。在桥梁抗震设计中，设计人员根据以往的经验，总结科学技术，选择正确的设计理念，从整体角度出发确定合适的设计方案，做好细节方面的控制，提升抗震设计水平，满足公路桥梁的使用需要。而在设计中，还要将强度与刚度实现统一，切实提升桥梁结构的抗震能力与水平[1]。
2.1 遵循科学技术方案，提高设计合理性
不管工程量大小，在方案设计时都要遵循科学、合理性原则，符合项目规定条件基础之下，通过使用专业性的知识、工程手段、成本预算等方式，满足桥梁结构的设计标准要求，并且组合规范设置，达到安全、稳固的效果，分析了解地震作用力的影响，分析计算确定桥梁抗震能力参数，以得出最佳抗震参数与效果，为桥梁的抗震设计提供基础和依据，为项目施工效果的提升奠定基础[2]。
2.2 具备整体协调与统一性
对于桥梁抗震设计来说，首先要明确的目标就是统一性与协调性，在该基础之下进行设计，提高桥梁的稳定性与承载能力，并通过有限元分析模型，对于参数不一致或者偏差较大的问题，选择合适的处理措施，缩小设计参数与实际参数的偏差，最大限度内实现参数统一，从而保证桥梁位移与下沉参数都符合要求，满足桥梁安全性标准。
2.3 设计要兼具简单原则
遵循简单性的设计原则，尽可能地缩短项目的工期、降低预算。通过使用最直接、有效的方法提高桥梁的抗震性能，分析受力结构，精准计算数据，确保处于设计规定的范围内，为后续工作的顺利开展奠定基础。同时，还要提高稳固性、受力安全性，简化各个结构，优化结构受力条件，对抗震水平的提高产生重要意义。
2.4 延展性问题
桥梁抗震设计是工作开展的重点。桥梁结构延展方向具备开放性，达到抗震等级的标准要求，才能减少位移、塌陷问题的发生[3]。
2.5 受力的计算
因为承载力与均衡性是随时变化的，所以桥梁的整体结构也会发生变化。在受到强烈地震的条件下，应针对不同结构展开受力计算，促进桥梁抗震性的提升。
3.1 静力法
在桥梁结构抗震设计中，提高抗震系数是关键，这是设计工作的重点，所以在具体的工作中，要选择正确的抗震方法，才能提升抗震效果和质量。从目前的实际工作情况出发，应用静力法进行抗震设计。假设各个物体与各个部分之间产生的是相同的振动，只局限在地面运动或者物质质量形成的惯性力，这样在设计时极易导致运动特征被忽略，没有考虑到动力性，所以要利用地震惯性力分析结构内力。就动力学角度出发，地震加速度是造成结构破坏的单独因素，有着一定的局限性，所以还必须考虑到结构特征，了解结构物的特性。周期小于地面卓越周期时，即使发生地震，也能保持结构的完整性。在具体的工作环节，对于静力法有足够的了解，并且进行抗震设计计算，才能提升抗震设计水平，满足抗震性能标准。
3.2 反应谱法
把反应谱法应用到桥梁结构抗震设计中，具体是从地震系数的选择来提高抗震性能。通过分析地震加速度，参考该数据选择确定相应的规律参数，同时在某个反应内确定相应的阻尼比参数，并且根据获取的数据信息了解地震加速度的变化情况，通过绘制曲线的方式得出平均值。在桥梁抗震设计标准中，通过扩大动力系数的方式了解地震反应力，分析卓越周期参数，在地震波的作用之下强迫震动。在具体的设计中，要结合不同特征周期、场地反应谱展开设计，绘制出反应谱曲线，这样才能确保设计方案的抗震性满足要求。
根据设计方案的要求，应该选择使用非弹性反应谱法进行，结合弹性结构体系直接进入非线性状态中，弹性反应谱分析时要考虑到结构加速度参数，在受到强度较高的地震作用时，结构会快速进入弹性塑性变形阶段，从而引起结构刚度、自证特征的变化。弹性反应谱法确定地震作用力时，并不能体现出非线性损伤变化，但是能够在弹性反应谱技术之下扩展影响非弹性反应谱，消除设计方案的缺陷。如假设特殊质变反应特点，如果弹塑性变化和假设的情况有差异，在非弹性反应谱的影响之下会持续性减弱，这样结构设计就不能达到标准。因此，在设计方案确定前，必须对桥梁施工现场有足够的了解，加强数据分析与统计，应用先进设计理念，才能提升设计水平，并且充分利用动力时程分析方法，通过地震面运动加速度记录，实现抗震分析，综合分析弹性与弹塑性变化状态，了解地震结构影响因素，综合掌握各个方面的要素。
对于复杂结构的抗震设计来说，主要通过采用和设计模式完全匹配的地面运动加速度方案，形成完整的设计模型，如屈服模型等，再经过应用三维立体化技术加强设计，提高设计水平[4]。在具体的设计环节，利用积分的方式分析每个结构设计，掌握不同时期的弹塑性地震反应，最终可以选择相同的方法了解薄弱部位，提高抗震设计水平，满足桥梁正常使用的需要。
3.3 延性和位移设计
延时抗震设计是通过结构、构件自带的延时耗能性抵抗地震作用力的。设计过程中应通过增大结构、构件的延性来满足性能需要，允许结构出现塑性铰的部分进行指定的延性设计。在此次方案设计时，使地震力、能量通过地面传到桥梁结构上，而抗震设计环节应考虑的问题是如何为结构提供这种地震力的能力。在以往的抗震设计中，通过强度设计理念，综合分析延性、位移参数，并利用强度指标间接实现。位移对于桥梁抗震设计尤为重要，设计人员意识到该参数的重要性，所以可以直接将位移参数应用到抗震设计中，这样可以形成多参数抗震设计的方法。目前我国的很多标准和规范中，都已经开始应用位移设计理念。
以位移为基础进行抗震设计，就要根据规定标准的抗震设计要求展开位移计算，确定地震产生的作用力，从而提高结构设计，达到预期变形标准。这种设计方案把结构位移作为结构性能指标，设计环节假设位移是结构抗震性能控制因素，利用位移谱分析有效周期，可以得出该结构的基底剪力参数，分析结构性能，以确定合适的配筋设计方案。该设计方法明确了位移在抗震设计的重要作用，并且在设计之初就要确定结构性能标准，最终可以达到桥梁的抗震性能标准。
4.1 场地的整体规划
场地整体规划工作的重点是对桥梁施工现场地震危害性进行分析，了解地震作用的严重影响，然后确定最佳的施工位置，确保后续的施工可以顺利进行。
在具体的桥梁施工中，要避免地震作用时出现地基严重失效的不良现象，及时解决和处理松软场地的不利影响，选择在硬度较高的场地中进行施工，提高桥梁的整体性，上部结构达到连续性的要求。同时，还要提升桥梁结构的完整性、稳定性，避免出现结构部件散落的问题。在整个桥梁的设计和施工中，必须综合性分析空间作用基本条件，从平面与立面的角度出发优化整体结构，分析几何尺寸、质量方面的影响，确保刚度是均匀布置的。在对称、规整方面进行设计，避免地震出现后引发变形而造成无法正常使用的情况出现。
4.2 结构与构件的强度
提高桥梁结构与构件的强度，是设防工作的重点。在桥梁结构受到地震影响后，发生损坏的问题，主要是地震的作用之下导致结构发生振动，所以必须考虑地基结构特点，掌握振动能量参数，将该参数作为最小值，以提升结构的强度与刚度。在具体的设计中，在不增加重量、刚度的基础之下，提升结构的总体性能，所以刚度选择要考虑到现场的具体情况，满足道路桥梁的正常使用需要。强度是提升抗震效果的重要参数，地震的作用之下极易出现反复变形的问题，造成刚度与强度性能持续下降，所以要对这一问题有足够的认识，并且逐步实现延性设计，完善设计方案，提高设计效果和质量，规避不利因素的影响。
5.1 设防目标
在我国的桥梁工程设计标准中，根据当前的桥梁重要结构、损坏修复的难易性把桥梁分为四大类，按照不同地震强度将地震的破坏影响分为四个设防等级，即6 度、7 度、8 度、9 度 设 防。根 据 目 前 的 桥 梁 设计标准和规范的要求，将我国的桥梁抗震设计分为如下三个层次：
第一层次是桥梁出现了弹性变形，但是并未发生塑性变化，结构完整度比较高。
第二层次是桥梁结构出现了弹塑性变形问题，而主体结构的性能比较好，结构内部存在轻微损坏，不影响整体的使用。
第三层次是主要结构部分发生损坏的问题，但是可以进行修复以恢复结构性能；
而非主要结构部件的损坏比较严重，而桥梁的变形也处于可控的范围内。根据我国的国家标准和规范要求，进行公路等级与桥梁规模的划分，主要分为四类，根据上述三个层次的标准要求设防，同时还要综合考虑当地的多遇地震、设计地震、罕遇地震等方面要求展开设计。以罕遇地震进行验算分析，加强结构强度的设计，提高延时设计的效果，达到桥梁抗震性能标准。
5.2 桥梁结构的构造细节
目前我国的公路桥梁抗震方案存在很多的问题。从抗震设计发展来看，存在的主要问题就是定量方法的应用。因此，结合以往的地震发生问题，总结经验，并将抗震设计理念、标准以及技术要求应用到实践中，为我国的桥梁抗震设计提供帮助，大幅提升桥梁通行的安全性。要想达到这一要求，就必须对桥梁的构造细节进行合理的设计。
5.3 减震隔震设计
在桥梁工程的抗震设计中，我国的国家规范对于减震隔震方面的设计内容较少，所以要不断做出改进、完善，才能提高抗震设计水平。具体来说，桥梁的减震隔震设计要落实如下要求：设计方案中不能出现地基不稳定、桥梁固有周期长、软弱土质等情况。如果延长桥梁机构的周期，则极易导致结构发生共振的现象，进而出现支反力负值的情况。在应用单振型反应谱分析减震隔震设计时，活动断层与桥梁建设区域的距离在15km 以上；
根据规范要求进行场地类型分类，确保场地的稳定性；
隔震设计的等效阻尼比在30%以内；
桥梁基本周期中的减震设计要大于不使用减震设计的基本周期，一般2.5 倍以上即可。非线性动力时程法应用在上述条件之下，隔震设计难以满足要求。如欧洲桥梁抗震设计规范就进行了特殊减隔震的桥梁设计，以降低水平地震的作用影响，从而延长结构固有周期，达到抗震安全性标准[5]。
综上所述，桥梁结构抗震设计的过程中应优化结构设计方案，选择应用先进的技术手段，提高设计方案的科学性、合理性，保证细节部分的设计满足要求，各个结构之间连接效果合格，同时还要重视经验总结，不断优化设计方案，分析参考数值，提升设计水平，满足桥梁结构正常使用的需要，对我国桥梁事业的高质量发展产生积极的意义。
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