橋梁抗震與抗風設計及方法探究

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【摘要】地震波和風荷載會影響橋梁結構的受力特性，從而影響橋梁的工作狀態和運營壽命。鑒于此，論文從重現期、作用方式、設防目標、破壞形式等方面對地震和風的特性進行對比，分析靜力法、反應譜法、動態時程法、位移設計法等在橋梁抗震設計中的應用，探討了風參數、橋梁動力特性、顫振臨界風速、抖震效應等對橋梁抗風設計的影響，并研究了橋梁抗風靜力計算、可靠性設計等。

【關鍵詞】橋梁工程；抗震；抗風；設計方法；設計理念

1引言

經過多年的快速發展，我國公路網也逐漸成型，橋梁工程的建設規模逐年增加。橋梁結構作為公路交通流通行的重要構造物，其受力特性十分復雜。隨著全球地震活動和極端氣候頻發，橋梁工程在運營期間可能受到地震波和風荷載的雙重作用，如果橋梁抗風抗震能力設計不足，可能發生失穩、顫振等病害，影響行車安全和舒適度，嚴重的可能會出現橋梁結構倒塌事故，造成一定程度的人員傷亡和經濟損失。目前國內外很多學者和工程人員針對橋梁抗震與抗風設計開展了許多研究，但目前沒有形成系統性的理論和規范來指導設計，研究成果一般局限于某種特定的計算方法，也很少有人將橋梁結構的抗震抗風設計進行對比、分析[1]。因此，研究橋梁抗震與抗風設計理念及設計方法十分重要。

2地震和風的特性分析

地震和風都是影響橋梁結構安全運營的重要因素之一，尤其是大跨度橋梁。但是地震和風由于本身特性的差異，對橋梁結構的影響并不完全相同，使得橋梁結構的抗震和抗風設計理念、設計方法也有一定的差異。地震是因為地球自轉或構造而出現，其強度可用震級和烈度來表示，前者表示地震本身的強度大小，后者表示地震對構造物的破壞程度。風是冷暖空氣相對于地面流動的結果，其強度可用風級、風速、風壓等指標來衡量。地震和風特性的區別主要體現在以下幾個方面[2]。1）重現期不同。一般情況下，地震（尤其是大震）發生次數少，重現期較長，持續時間短，破壞力大。風發生次數多，重現期較短，持續時間短，破壞力相對于地震小。2）影響因素不同。地震受地球構造、地質情況影響大，風受氣候環境、地形地貌影響大，但是局部區域也可能強震與強風同時存在。3）作用方式不同。地震屬于偶然作用，是以地震波的方式來傳播的。由于傳播介質的復雜性，地震波在傳播期間容易出現反射、折射等現象，使得構造物受地震的影響也復雜。風是一種流體，不存在傳播介質，在流動過程中產生的風荷載和構造物相互作用，出現自激振動現象，地震和風的作用方式如圖1所示。4）設防目標不同。地震和風的預測都是基于歷史資料，但是JTG/T2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》提出了明確的橋梁抗震設防目標，但是風力無論大小都要考慮其對橋梁結構的影響，沒有明確的設防目標。5）破壞形式不同。地震對橋梁結構的破壞形式主要有彎曲破壞、剪切破壞、落梁破壞、支座損傷等。風對橋梁結構的破壞主要有顫震、抖震、渦激共振、風雨震等。

3橋梁結構抗震設計

3.1橋梁抗震設計理念

橋梁抗震結構在進行抗震設計時要進行技術性和經濟性對比，一方面要確保結構的強度、剛度、延性等參數達到最佳，另一方面要抗震方案造價不能過高。這就要求設計人員在開展抗震設計時，不能盲目地套用相關規范，而是要結合具體工程特點、自身工作經驗、科學的設計理念來選擇經濟可行的抗震措施。相關研究成果表明，橋梁結構在進行抗震設計時應盡量遵循以下基本設計理念[3]：1）合理選擇工程場區。在選擇橋梁工程場區時盡量選擇不易出現地基失效的堅硬場地，碎石類地基、不穩定的坡地都是危險地區。2）確保抗震體系的完整性。橋梁上部結構應盡量連續、完整，質量和剛度均勻，這樣在地震波作用下橋梁構件不容易震散掉落。3）提高構件強度和延性。橋梁結構受地震破壞主要是因為地震波傳入構件中，因此，在橋梁構件質量、剛度不變的情況下，增加其強度和延性是重要的抗震措施。4）能力設計。傳統的設計理念強調橋梁各構件應有相等或相似的安全度（不存在明顯短板），但是各構件重要程度是不相同的，等安全度設計理念對于橋梁抗震設計并不完全適用。橋梁抗震應考慮安全度差異，確保橋梁構件在地震波作用下不發生脆性破壞即可。

3.2抗震設計方法的變化

3.2.1靜力法。靜力理論發展較早，它是以結構強度為破壞準則，不考慮地面運動特性和結構動力特性，而是將橋梁結構受到地震波時的動力響應視為地震慣性力，并將場地地基、結構重要性程度等對結構的影響簡化為某一系數來考慮。當結構的荷載效應小于或等于抗力效應時，認為橋梁結構是安全的，能滿足抗震要求。3.2.2反應譜法。反應譜法又稱為動靜法，是基于反應譜理論來計算最大地震力，可以用來評價地面運動和結構動力特性對橋梁結構抗震性能的影響，但仍以強度破壞為準則。3.2.3動態時程法。隨著動力學理論的發展，越來越多的學者開始關注地震振動的結構—基礎—土的共同作用。在地震波作用下，橋梁構件會發生各種彈性、彈塑性變形，基于此可建立地震作用下橋梁的動態時程方程。動態時程法不僅可以考慮結構強度，還考慮了結構的延性，從而使橋梁結構的抗震計算結果更加符合實際情況。3.2.4位移設計法。目前橋梁設計規范中是允許構件在地震作用下出現微小的塑性屈服變形的，但是變形不得影響橋梁安全。這也說明，強度并不是衡量橋梁結構的單一指標，故有學者提出了基于位移的設計理念，將橋梁結構的變形或應變當作變量。

4橋梁結構抗風設計

4.1橋梁抗風設計理念

橋梁結構在進行抗風設計時，首先要分析影響橋梁抗風性能的主要因素：1）風參數。根據收集到的歷史資料，并結合橋梁所處的地形、風向等選擇合理的風特性參數用于橋梁抗風設計。2）橋梁動力特性。這是橋梁抗風分析的前提條件，應當準確選擇力學模型和邊界條件。3）顫振臨界風速。顫振臨界風速是橋梁結構出現顫振現象的起始風速，當外界風速小于臨界風速，振動呈衰減趨勢，因此要確保顫振臨界風速高于橋梁的設計基準風速，以提高橋梁結構的抗風穩定性。4）抖震效應。橋梁結構抖振的最大振幅應當在允許范圍內，從而防止結構疲勞[4]。如果橋梁結構的設計方案抗風性能不滿足規范要求，應及時修改結構方案，并選擇相應的措施來提高橋梁抗風能力，減小橋梁在風力作用下的顫震和抖震幅度。

4.2橋梁風振設計方法

4.2.1橋梁抗風的靜力計算。風荷載出現是因為橋梁結構改變了流場的分布特性，風荷載對構件的作用能夠分解成阻力FH、升力FV和升力矩MT,計算公式如式（1）~式（3）：式中，U為平均風速；CH為阻力系數；CV為升力系數；CM為扭矩系數；D為橋梁高度；B為橋梁寬度；ρ為空氣密度。將上述分力代入JTG/T3360-01—2018《公路橋梁抗風設計規范》中的橋梁傾覆失穩和扭轉發散臨界風速即可驗算橋梁結構的抗風能力。4.2.2橋梁風振可靠性設計。橋梁結構風振可靠性指的是在風荷載作用下，橋梁結構在特定時間和條件下，發揮其設計功能的概率，該方法屬于結構動力可靠性理論的一個分支。橋梁結構風振可靠性系統主要包括風荷載統計描述、系統特性概率描述、失效狀態物理描述3個方面的內容[5]，具體如表1所示。

5結語

本文詳細探討了地震和風的特性，橋梁結構的抗震、抗風設計理念和設計方法，主要得到以下幾方面結論：（1）地震和風在重現期、作用方式、設防目標、破壞形式等方面不同，對橋梁結構的影響也有一定的差異；（2）橋梁結構在進行抗震設計時應合理選擇工程場區、確保抗震體系的完整性、提高構件強度和延性，并選擇安全度差異抗震設計理念；（3）橋梁結構抗震設計方法包括靜力法、反應譜法、動態時程法、位移設計法等；（4）影響橋梁抗風設計的因素有風參數、橋梁動力特性、顫振臨界風速、抖震效應等，常用的設計方法有橋梁抗風的靜力計算、橋梁風振可靠性設計等。

【參考文獻】

[1]陳浩.橋梁抗震、抗風設計理念及設計方法研究[J].建設科技,2016(17):113-114.

[2]王英偉.橋梁抗震、抗風設計理念及方法研究[J].工程與建設,2016,30(4):492-495.

[3]鄭宏剛.劉家峽懸索橋風致振動及三維非一致激振抗震分析[D].蘭州:蘭州交通大學,2012.

[4]李保木.大跨度橋梁抗震與抗風分析的隨機振動時域顯式方法研究[D].廣州:華南理工大學,2019.

[5]何晗欣.橋梁抗震與抗風及其影響因素分析研究[D].西安：長安大學,2011.

作者:劉楚 文琰 單位:九江市規劃設計集團有限公司