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1、桥梁抗震设计要点 桥梁抗震设计基本要求 最近二三十年来，全球发生的对此破坏性地震造成了非常惨重的生命财产损失。一个很重要的原因是，桥梁工程在地震中遭到了严重破坏，切断了震区交通生命线，造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害加重，从而导致了巨大的经济损失。 多次破坏性地震一再显示了桥梁工程遭到破坏的严重后果，也一再显示了桥梁工程进行正确抗震设计的重要性。自从1976年唐山地震以后，我国的桥梁抗震工作也日益受到重视。最近几年来，我国的铁路工程抗震设计规范、公路桥梁抗震设计细则以及城市桥梁抗震设计规范先后得到了修订或编制完成。这些规范引入了新的桥梁抗震设计理念，完善了相应的抗震设计方法，是我国桥梁设计的
2、依据。 2.1 抗震设防标准及设防目标 2.1.1 抗震设防标准 工程抗震设防标准是指根据地震动背景，为保证工程结构在寿命期内的地震损失（经济损失及人员损失）不超过规定的水平或社会可接受的水平，规定工程结构必须具备的抗震能力。因此，抗震设防标准是工程项目进行抗震设计的准则，也是工程抗震设计中需要解决的首要问题。 通常情况下，建设工程从选址到使用寿期内的防震措施可分为三个阶段：抗震设计、保证施工质量与合理的维护保养。其中，抗震设计要遵从一定的标准，这就是抗震设防标准。它包括抗震设防目标、工程设防类别、设防地震和场地选择等内容。 抗震设防标准是科学性和政策性（或社会性）的结合。科学性就是要严格按照
3、现行的有关规范要求进行工程场地地震安全性评价工作，是的评价结果较好地符合实际，具有较好的可重复性。政策性则要考虑到工程类型、重要程度、投资强度风险程度等。我国还属于发展中国家，财力物力有限。国家总的防灾政策决定了抗震设防标准不宜过高。随着科学技术的进步和国民经济地发展，以及人们放在意识的加强，抗震设防标准也在逐渐提高。 抗震设防标准工程设防类别 系指根据工程结构遭遇地震破坏后可能产生的经济损失和社会影响程度，以及在抗震救灾中的作用，对其所做的抗震重要性类别划分。一般分为四类，也有的行业工程分为二类或三类。 抗震设防标准设防地震 系指针对不同重要性类别的工程，采用特定安全水准的地震作用强度，常以
4、一定概率水平下的地震烈度或地震动参数来表达。在现行的多种抗震设计规范中称为“设防烈度”。 抗震设防标准抗震设防目标 系指工程结构通过抗震设计所达到的宏观抗震目标。设防目标同设计方法有关。比如，对于建筑来说是三级设防，其目标可简述为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。 抗震设防标准场地选择 系指在地震区选择建设场地时，宜选择有利地段，避开不利地段，当无法避开时应采取适当的抗震措施。这是经济合理的抗震设防前提，往往比其他抗震措施的作用还大。因为，地震对建设工程的破坏，除地震动引起工程结构的破坏外，还有场地条件的因素，诸如地震引起的地表错动与地裂，地基土的不均匀沉陷，滑坡和粉、砂土液化等。对有利，不利
5、和危险地段的划分，应按地震活动性、构造活动性，边坡稳定性和场地地基条件等进行综合评定。 桥梁工程的抗震设防，既要使震前用于抗震设防的经济投入不超过我国当前的经济能力，又要使地震中经过抗震设计的桥梁的破坏程度限制在人们可以承受的范围内。换言之，需要在经济和安全之间进行合理平衡，这是桥梁抗震设防的合理安全度原则。 抗震设防标准是衡量抗震设防要求高低的尺度，由抗震设防烈度或设计地震动参数及桥梁抗震设防类别确定。抗震设防烈度是按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。设防参数是指考虑工程抗震设防时，采用哪种物理量（参数）来进行工程设防。国内外常用的参数为烈度和地震动参数两种。我国颁布了中
6、国地震动参数区划图规定的基本烈度，一般情况下，取50年内超越概率10%的地震烈度。对桥址已作过地震安全性评价的桥梁，应按批准的抗 震设防烈度或设计地震动参数进行抗震设防。 2.1.2 抗震设防目标 2.1.2.1 总目标 通过抗震设防，减轻公路桥梁的地震破坏，保证人民生命财产安全，减少经济损失，更好地发挥公路交通网在抗震救灾中的作用。具体具体通过“两水准”的抗震设防要求和“两阶段”的抗震设计方法实现。 2.1.2.2 “两水准”抗震设防目标 近几十年来，美国、日本及我国等国家的地震工程专家先后提出了分类设防的抗震设计思想，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。这一抗震设计思想表示为以下三个要求：
7、在小震（多遇地震）作用下，结构物不许修理，仍可正常使用；在中震（偶遇地震）作用下，结构物无重大损坏，经修复后仍可继续使用；在大震（罕遇地震）作用下，结构物可能产生重大破坏，但不致倒塌。 我国公路桥梁抗震设计细则（JTG/T B02012022）以及城市桥梁抗震设计规范（CJJ 1662022）分别两个等级的地震动参数：E1地震作用和E2地震作用，进行两个阶段的抗震设计；即：当遭受E1地震作用时，一般不受损坏或不需修理可继续使用。当遭受E2地震作用时，应保证不致倒塌或产生严重结构损坏，经临时加固后可供维持应急交通使用。 表1 各设防类别桥梁的抗震设防目标 桥梁抗震设防 类别 设防目标 E1地震作
8、用E2地震作用 A类一般不受损坏或不需要修复可 继续使用可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用 B类一般不受损坏或不需要修复可 继续使用 应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持 应急交通使用 C类一般不受损坏或不需要修复可 继续使用 应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持 应急交通使用 D类一般不受损坏或不需要修复可 继续使用 2.1.2.3“两阶段”的抗震设计方法 我国建筑抗震设计规范（GB 500112022）就是采用三水准设防、两阶段设计方法：第一阶段设计取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应，进行构件截面的承载
9、力验算，即采用弹性抗震设计，对部分构件进行承载力设计。；第二阶段设计取第三水准的地震动参数进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算，并采取相应的构造措施，即采用延性抗震设计方法，并引入能力保护设计原则。 2.1.2.4 桥梁工程抗震设计流程 桥梁工程在其使用期内，要承受多种作用的影响，包括永久作用、可变作用和偶然作用三大类。地震是桥梁工程的一种偶然作用，在试用期内不一定会出现，但一旦出现，对结构的影响很大。桥梁工程必须首先确保运行功能，即满足永久作用和可变作用的要求，这是静力设计的目标。其次。保证桥梁工程在地震下的安全性也非常重要，因此要进行抗震设计。目前，桥梁工程的抗震设计一般配合静力设计进行，
10、并贯穿桥梁结构设计的全过程。 与静力设计一样，桥梁工程的抗震设计也是一项综合性的工作。桥梁抗震设计的任务，是选择合理的结构形式，并为结构提供较强的抗震能力。具体来说，要正确选择能够有效地抵抗地震作用的结构形式，合理地分配结构的刚度、质量和阻尼等的分布，并正确估计地震可能对结构造成的破坏，以便通过结构、构造和其他抗震措施，使损失控制在限定的范围内。 桥梁工程的抗震设计过程一般包括七个步骤，即抗震设防标准选定、地震输入选择、抗震概念设计、延性抗震设计（或减隔震设计）、地震反应分析、抗震性能验算以及抗震措施选择，如图所示。 抗震设防标准确定 地震动输入选择 其中，虚框中的部分工作量最大，也最为复杂。
11、如果采用两级设防的抗震设计思想，虚框中的地震反应分析和抗震验算就要做两次循环，即对应于每一个设防水准，进行一次地震反应分析，并进行相应的抗震性能验算，直到结构的抗震性能满足要求。 2.2地震作用及作用效应组合 桥梁场地地震安全性评价 地震安全性评价是指对具体建设工程地区或场址周围的地震地质、地球物理、地震活动性、地形变化等进行研究，采用地震危险性概率分析方法，按照工程应采用的分先概率水准，科学地给出相应的工程规划和设计所需的有关抗震设防要求的地震动参数和基础资料。 地震安全性评价工作一般包括地震危险性分析、场地土层地震反应分析和场地的地震地质灾害评价三部分。 地震危险性是指某一场地（或某一区域
12、、地区、国家）在一定时期内可能遭受到的最大地震破坏影响，可以用地震烈度或地面运动参数来表示。目前，场地的地震危险性分析普遍采用概率方法，具体要求包括：查明工程场地周围地震环境和抗震概念设计 减隔震设计 延性抗震设计 地震反应分析 抗震性能验算 修改设计参数 不通过 抗震措施 通过 结束 地震活动性，判定并划分出潜在震源的位置、规模和地震活动频度，给出可能的真元模式，确定各潜在震源的发震概率，最后根据地震动衰减规律和地震危险性分析的概率模型，计算出场地不同地震动参数的概率曲线，给出不同概率水准下的地震动参数峰值，得到基岩的地震反应谱，以及地震持续时间。 将地震危险性分析得到的基岩地震加速度反应谱
13、进行标准化处理，得到目标反应谱，进一步合并基岩加速度时程，作为场地地震反应分析的地震输入。对于水平层、横向不均匀性较小的场地，可采用一维剪切模型进行场地土层地震反应分析，该模型为覆盖在基岩上的一系列完全理想的已知层后、土特征的水平成层模型。但对于局部地形等影响、横向不均匀性较大的场地，则需采用二维甚至三维模型进行场地土层地震反应分析。通过场地的地震反应分析，可以得到各土层的地震加速度时程，并进一步换算为地震加速度反应谱，经标准化后可得到设计加速度反应谱，供工程结构的抗震设计采用。进一步地，还要以设计加速度反应谱为目标，拟合出符合工程结构抗震设计要求的地震加速度时程。 地震加速度反应谱 做过地震
14、安全性评价的桥梁场地，可以选取地震安全性评价报告提供的设计反应谱作为地震输入；而未做场地地震安全性评价的桥梁场地，一般选取现行桥梁抗震规范规定的反应谱作为地震输入。 由于诸多随机因素的影响，使得由不同记录计算得到的反应谱具有很大的随机性。为此，各国规范的反应谱一般是根据很多条地震记录统计平均后，进行一定的平滑处理后得到的。 我国公路桥梁抗震设计细则采用的反应谱是通过对823条水平强震记录统计分析得到的，并将有效周期成分延长至10s ，其对应阻尼比为0.05的水平加速度反应谱由下式确定： ()()?+=g g g T T T T S T T s S s T T S S /1.01.045.05.
15、5max max max A C C C S d s i 25.2max = 式中,g T 为反应谱特征周期（根据地震动参数区域图选取）；T 为结构自震周期；max S 为水平设计加速度反应谱最大值；i C 为地震设防的重要系数；s C 为场地系 数；d C 为阻尼调整系数；A 为水平向设计基本地震动加速度峰值。 55.04.106.005.01+-+= d C 式中，为结构实际阻尼比。 我国城市桥梁抗震设计规范则采用了建筑抗震设计规范相同的反应谱形式，有效周期成分至6s,分别在g g T T 5区段和g g T T 65区段采用不同的下降段，其水平设计加速度反应谱直S 由下式确定： ()()
16、 ?-? ?+=g g g g g g T T S T T T T T T T S T T s S s T S T S S max 12max 2max 2max max 25-2.051.01.0045.05.545.0-10 式中，g T 为反应谱特征周期，根据地震动参数区域图选取，其中计算8、9度E2地震作用时，特征周期宜增加0.05s ；2为结构的阻尼调整系数，阻尼比为0.05时取1.0，阻尼比不等于0.05时按式 计算；为g g T T 5区段曲线衰减指数，阻 尼比为0.05时取0.9，阻尼比不等于0.05时按式 计算； 1为g g T T 65区段直线下降段下降斜率调整系数，阻尼比
17、为0.05时取0.02，阻尼比不等于0.05时按式 计算；T 为结构自震周期；max S 为水平设计加速度反应谱最大值，按式 计算。 4.106.0-05.012+= 55.0-05.09.0+ = ()8-05.002.01+= A S 25.2max = 式中，为结构实际阻尼比；A 为E1或E2地震作用下水平向地震动峰值加速度。 对于竖向地震作用，我国公路桥梁抗震设计细则和城市桥梁抗震设计规范 均采用竖向地震动加速度反应谱由水平向设计加速度反应谱乘以竖向/水平向谱比函数 R 得到。其中，基岩场地R 取0.65，一般土层场地根据下式取值； ?-=3 .05.03.01.0) 1.0(5.20
18、.11.00.1T T T T R 式中，T 为结构自震周期。 地震动加速度时程 目前，在桥梁抗震设计中，地震动加速度时程的选择主要有三种方法，即直接利用强震记录、采用人工地震加速度时程和规范标准化地震加速度时程。选择加速度时程，必须把握住三个特征，即加速度峰值的大小、波形和强震持续时间。 在选择强震记录上时，除了最大峰值加速度应符合桥梁所在地区的设防要求外，场地条件也应尽量接近，也就是该地震波的主要周期应尽量接近于桥址场地的卓越周期。对于强震持续时间，原则上应采用持续时间较长的地震记录。如果能获得桥址场地附近同类地质条件下的强震记录，则是最佳选择，应优先采用。 人工地震加速度时程是根据随机振
19、动理论产生的符合所需统计特征（加速度峰值、频谱特征、持续时间）的地震加速度时程。生成人工地震加速度时程可以有两条途径：一是以规范设计反应谱为目标拟合而成；二是对建桥桥址场地进行地震安全性评价，以提供场地的人工地震加速度时程。 规范标准化地震加速度时程由相关的规范提供，如日本桥梁抗震规范就提供了18组扔地震时程记录共选用。 需要特别指出的是，采用地震加速度时程进行地震反应分析时，一般要选取多组地震加速度时程以供比较分析，如美国AASHTO 规范规定为5组，我国公路桥梁抗震设计细则和城市桥梁抗震设计规范均规定不得少于3组（对于地震反应分析结果，3组须取最大值，7组可取平均值）。 2.2.1地震作用
20、 地震作用的属于偶然作用，通常只与永久作用进行组合。永久作用通常包括结构重力（恒载）、预应力、土压力、水压力，而地震作用通常包括地震动的作用和地震土压力、水压力等。进行桥梁抗震设计时，应进行包括各种作用效应的 最不利组合。 在地震作用下，除了结构内力反应以外，支座以及梁端等位移反应需要特别关注，为防止发生支座脱落或桥梁震害，我国城市桥梁抗震设计规范规定在进行支座位移验算时，还应考虑50%均匀温度作用效应。 2.2.1地震作用效应组合 按承载能力极限状态设计时，作用效应S 应考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。 偶然组合 公路桥涵通用设计规范：永久作用标准值效应与可变作用某
21、种代表值效应（标准值、准永久值、频遇值）、一种偶然作用标准值效应的组合。偶然作用的效应分项系数取1.0，地震作用标准值按桥梁抗震设计细则规定采用。 建筑结构荷载规范：偶然组合的设计值宜按下列规定确定偶然荷载的代表值（标准值）不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。各种情况下荷载效应的设计值公式，可由有关规范另行规定。 按正常使用极限状态设计时，作用效应Sk 应根据不同的设计要求，采用作用效应的短期效应组合、长期效应组合。 1、短期效应组合 永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合。 n j jk j Qj m i ik Gi n j Qjk j
22、m i Gik k Q C G C S S S 111111=+=+= 2、长期效应组合 永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合。 n j jk j Qj m i ik Gi n j Qjk j m i Gik k Q C G C S S S 121121=+=+= 2.3桥梁抗震概念设计 地震作用是一种不规则的循环往复荷载，且具有很强的随机性，而桥梁结构的地震破坏机理十分复杂。目前人们对地震动和结构地震破话的认识尚不充分，因此，要进行精准的抗震设计很困难。 20世纪70年代以来，人们在总结地震灾害经验中提出了“抗震设计”（conceptual design）的思想，并认为它比“数值设
23、计”（numerical design）更为重要。抗震设计概念是指根据地震灾害和工程经验等获得的基本设计原则和设计思想，正确地解决结构总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。合理的抗震设计，要求设计出来的结构，在强度、刚度和延性的等指标上有最佳的组合，使结构能够经济地实现抗震设防的目标。 抗震“概念设计”是从概念上，特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策；“数值设计”主要是地震作用计算、构件强度验算、结构和支座变形验算等。应当指出，强调概念设计重要，并非不重视数值设计，而是为了给抗震计算创造有利条件，使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况。这两者是相辅相成的，作为一个正确
24、的抗震设计，必须重视抗震设计概念设计，灵活而又合理地运用抗震设计思想。 2.3.1桥梁震害 调查与分析桥梁的震害及产生的原因是建立正确的抗震设计方法，采取有效抗震措施的科学依据。国内外地震工作者历来都很重视震害的调查研究。可以说，桥梁抗震设计的历史，也是人类对桥梁震害认识的历史。近20余年发生的几次大地震使桥梁结构遭到了严重破坏，但也使我们获得了关于结构地震反应的极其宝贵的资料，从而可以对抗震设计理论和设计方法进行检讨、修正和发展，是桥梁抗震设计水平不断的得到提高。 大量的震害分析表明，引起桥梁震害的原因主要有死个：所发生的地震强度超过了抗震设防标准，这是无法预料的；桥梁场地对抗震不利，地震引
25、起地基失效或地基变形；桥梁结构设计、施工错误；桥梁结构本身抗震能力不足。 从结构抗震设计的观点出发，可以将桥梁震害归为两大类，即地基失效引起的破坏和结构强烈振动引起的破坏。两者破坏的原因不同：前者属于静力作用，是由于地基失效产生的相对位移引起的结构破坏；后者属于动力作用，是由于振动产生的惯性力引起的破坏。 1）地基失效引起的破坏 地基失效指的是由地基丧失承载能力的现象。强烈地震时，地裂缝、滑坡、沙土 液化、软土震陷等，都是使地基产生开裂、滑动、不均匀沉降等，进而丧失稳定性和承载力，使建造在上面的桥梁结构受到破坏。一般来说，这类破坏现象是人为工程难以抵御的，因此应尽量通过场地选择避免。 2）结构
26、强烈振动引起的破坏 地震时，地面运动引起桥梁结构的振动，使结构的内力和变形大幅度地增加，从而导致结构破坏甚至倒塌。这类破坏主要源于两方面的原因：一是结构遭受的地震动强度远远超过设计预期的强度，结构语法抵御而破坏，这是导致结构破坏的外因；二是在结构设计和细部构造以及施工方法上存在缺陷，这是导致结构破坏的内因。由于地震动的不确定性和复杂性，人们目前还无法准确预测桥址未来可能发生的地震动，所以，设计对地震动特性不敏感的结构就显得特别重要。 2.3.1.1 上部结构的震害 桥梁上部结构的震害，按照震害产生原因的不同，可分为上不结构自身的震害，上不结构的位移震害（包括落梁震害），以及上部结构的碰撞震害。
27、 1）上部结构自身的震害 桥梁上部结构自身遭受震害而被毁坏的情况比较少见。在发现的少数震害中，主要是钢结构的局部屈曲破坏。 2）上不结构的位移震害 桥梁上部结构的位移震害在破坏性地震中极为常见，这种震害表现为桥梁上不结构的纵向位移、横向位移以及扭转位移。一般来说，设置伸缩缝的地方比较容易发生位移震害。在破坏性地震中，最为常见的是桥梁上部结构的纵向位移和落梁震害。如果上部结构的位移超出了墩、台等的支承面，则会发生更为严重的落梁震害。上部结构发生落梁时，如果撞击桥墩，还会给下部结构带来很大的破坏。当然，桥梁支座和桥墩的毁坏也会导致上部结构的坠落。 3）上部结构的碰撞震害 如果相邻结构的间距过小，在地震中就有可能会发生碰撞，产生非常大的撞击力，从而使结构受到破坏。桥梁在地震中的碰撞，比较典型的有：相邻跨上部结构的碰撞，上部结构与桥台的碰撞，以及相邻桥梁间的碰撞。 2.3.1.2 支座的震害 桥梁支座历来被认为是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的一个环节，在历