橋梁抗震
關注創建者：YuZhou 創建時間：2016-12-22
橋梁抗震的實例教程
本文對基于能力保護原則設計的橋梁，簡要介紹了橋梁抗震設計原則、抗震體系選取，重點分析了橋梁墩柱潛在塑性鉸屈服條件的判斷過程，以及不希望發生非彈性變形的構件-墩柱抗剪、蓋梁、基礎、支座作為能力保護設計的計算方法。
關鍵詞：抗震設計、塑性鉸、能力保護設計
01引言
地震災害是瞬時突發性的社會災害，短時間內造成橋梁倒塌、交通中斷、人員傷亡，經濟損失巨大，它所造成的社會影響比其他自然災害更為廣泛、強烈，社會影響深遠。《城市橋梁抗震設計規范》規定：地震基本烈度為6度及以上地區的城市橋梁，必須進行抗震設計，且此條為強制性條文。橋梁抗震設計一直受到設計及審查人員重視，但在實際設計文件中，抗震設計仍存在一定問題，部分設計文件抗震設計概念混淆、抗震計算內容不全、或能力保護構件設計取值存在問題。本文結合審圖過程中抗震設計、以及《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011）、《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01-2020)，對橋梁抗震設計、能力保護構件計算的內容進行了梳理，希望能對橋梁抗震設計及施工圖審查工作有所幫助。
02抗震設計原則及抗震體系選取
橋梁抗震設計的基本原則包括：彈性設計原則、延性設計原則、能力保護原則、減隔震設計原則。合理的抗震設計，要求橋梁結構在強度、剛度、延性等指標上組合最佳，從而經濟合理的實現抗震目標。
(1) 抗震設防目標及抗震設計原則
橋梁抗震設防分類依據其結構型式、在城市交通網絡中位置的重要性以及承擔的交通量分為甲、乙、丙、丁四類，甲、乙、丙類橋梁抗震設計采用兩水準設防、兩階段（E1、E2）設計方式。
展開 由于結點受力復雜，目前美國的AASHTO規范，歐洲的Eurocode規范和我國的公路抗震設計規范對結點的設計和構造都沒有特別的規定。在橋梁抗震設計中除了要保證橋墩、橋梁有足夠的承載力和延性外，還要保證橋梁節點有足夠的承載力，避免節點過早破壞。即“強節點，弱構件”。
綜合起來，建筑結構抗震設計遵循如下原則：
強柱弱梁：要求同一結點柱端截面受彎承載力總和大于梁端受彎承載力總和；
強剪弱彎：控制截面的抗剪承載力大于抗彎承載力；
強結點弱構件：梁柱結點是保證結構整體性和關鍵部位，要保證結點有足夠的強度和剛性，建筑結構抗震的一般原則同樣適用于橋梁結構。
下載地址：城市橋梁抗震設計規范
展開 3.橋梁抗震是一個系統工程，千萬不要用結構靜力學的思維模式去理解（解釋）橋梁抗震的概念，一個好的橋梁工程師是地震力的合理疏導者、而不是地震力的圍堵者。如果沒有結構動力學、地震工程學的基礎，千萬別提：延性抗震體系、減隔震體系、……。還應該注意：現有的理論不足以解答橋梁抗震的所有問題，尤其是大跨高聳結構。
4.筆者在總結汶川地震等橋梁震害、這些1:1的“足尺試驗”的基礎上，將橋梁抗震基本理念總結為：“因地制宜選擇橋型”、“多道設防、分級耗能”、“一可三易（即：損傷部位及損傷程度可控、損傷部位或構件易檢、損傷部位或構件易修、損壞部位或構件易換，‘可控’是目標、‘易檢、易修、易換’是實現‘可控’的手段）”。對墩頂采用蓋梁的中小跨徑梁橋而言，在破壞性地震作用下，板式橡膠支座作為“保險絲式單元”優先損傷，因為它的損傷保護了橋墩和樁基，即：犧牲局部保護整體。這一理念已在《橋梁抗震研究（第二版）》（中國鐵道出版社，2014年第二版第一次印刷、2015年第二版第二次印刷）的相關章節展開了論述（有興趣的讀者可以參閱此書，同時可以查閱我們抗震學科組近年來發表的40余篇相關文章）。
筆者認為：“多道設防、分級耗能”、“一可三易”，這12個字可以作為橋梁抗震的基本理念。
展開 《公路橋梁抗震設計細則》（JTGT B02-01-2008）
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然而，在某些情況下，特別是在較大跨度的無縫橋梁中，設計橋臺時都需考慮上部結構旋轉引起的力矩。
針對不同抗震設計類別的橋臺縱向響應
針對抗震設計類別B或C中橋梁設計的橋臺，預計能夠承受地震荷載，并且最大限度地減少損傷。對于座式橋臺，預計動態被動壓力狀態下的橋臺運動最小。然而，橋梁上部結構位移要求可以是100毫米或以上，并可能增加土壤移動性。
對于抗震設計類別D，由于較大縱向上部結構位移與慣性荷載相關，因此通常會調動無縫橋臺墻以及座式橋臺背墻后方土壤中的被動壓力阻力。以下兩種方案可供選擇：
方案1：沒有橋臺貢獻的抗震系統（ERS）。橋梁抗震系統應設計成能夠承受所有地震荷載，而不需要橋臺的任何貢獻。橋臺可能有助于限制位移，提供額外的承載力和更好的性能，這在分析模型中沒有直接解釋。為確保梁柱能夠承受橫向載荷，應假設橋臺的剛度和承載力為零。這種情況下，應考慮結合地震加速度引起的嚴重位移影響，對橋臺進行評估。在適當的情況下，該評估應涵蓋橋臺傾覆。
方案2：有橋臺貢獻的抗震系統（ERS）。這種情況中，橋梁應設計成以橋臺作為抗震系統的關鍵元件。通過橋臺設計和分析，證實設計地震位移。如果設計中包括了橋臺剛度和承載力，則應該意識到，通過橋臺位移調動的被動壓力區，會延伸到通常用于工作靜載設計的主動壓力區之外。
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二.橋梁技術與裝備展區：
1.機械裝備及配套：橋梁施工機械；起重機；架橋機；運梁車；移動模架造橋機；橋梁改造加固設備；筑路機械；養路機械；橋梁維修、養護機械及設備 ；橋梁混凝土澆筑及添加劑；橋梁防撞墻模板施工車；橋梁施工防護設備；橋梁檢測車及設備；橋梁抗震緩沖等裝置設備等。
隨著計算機技術的發展，CFD 可以建立更大規模的網格，用于風工程、環境工程領域，研究橋梁抗震、高速列車安全、街區空氣污染等。
隨著風能開發利用規模的擴大，需要對大氣邊界層流場中更多微尺度的運動過程進一步研究。Raithby 等基于 CFD 開展的山地風場研究是這方面最早的工作之一。然而，CFD 對于復雜下墊面高雷諾數的大氣邊界層風場模擬仍面臨挑戰。
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其中包括使用主動振動控制、被動控制、減震器等方法來降低橋梁的振動響應，提高橋梁的抗震能力。
3) 橋梁結構動力監測與健康評估：實驗室開展橋梁結構的動態監測和健康評估研究，通過使用傳感器和監測設備，收集橋梁的實時振動數據和結構響應，對橋梁的結構狀況進行評估和監測。這些研究有助于提前發現橋梁結構的問題并采取相應的維修和保養措施。
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（1）標準IR作用下的結果
《公路橋梁抗震設計細則》要求的標準IR是0.65，當采用GM1，IR為0.65時，其支座軸力的時程結果見圖5。中支座的軸力波動不明顯，且一直處于受壓狀態。邊支座的軸力波動非常明顯，且雙線性模型和可變摩擦模型呈現出了顯著的差異。在雙線性支座模型中，邊支座甚至出現了0.39MN的拉力，而摩擦型支座模型的軸力最小為0MN。
表1 橡膠支座高架橋設計參數 下載原圖
該橋梁為規則橋梁，抗震設防烈度為8度，構建的抗震計算模型如圖1所示。
圖1 高架橋有限元模型 下載原圖
2.2 E1地震響應測試結果
在E1地震作用下，對板式橡膠支座高架橋進行測試。
