桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法

桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法

闫保真

黑龙江省公路桥梁勘测设计院有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要：近年来，随着我国经济的飞速发展，国内的公路网也随之逐渐成型，桥梁工程的建设规模逐年增加。桥梁结构作为公路交通流通行的重要构造物，其受力特性十分复杂。随着全球地震活动和极端气候频发，桥梁工程在运营期间可能受到地震波和风荷载的双重作用，如果桥梁抗风抗震能力设计不足，可能造成一定程度的人员伤亡和经济损失。目前国内外很多学者和工程人员针对桥梁抗震与抗风设计开展了许多研究，研究桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法十分重要。

关键词：桥梁；抗震；抗风；设计理念；设计方法

引言

我国对于桥梁的抗震和抗风设计方法及理论分析较少，并且计算方法的局限性较大。对桥梁抗震和抗风设计共同研究更是少之又少。为了保证桥梁设计思路清晰，避免出现桥梁某一方面性能的设计过于保守，另一方面设计不满足要求的情况出现，论文通过对设计理念和设计方法进行分析，为桥梁的抗震和抗风提出了理论方法。

1地震和风的特性分析

地震是因为地球自转或构造而出现，其强度可用震级和烈度来表示，前者表示地震本身的强度大小，后者表示地震对构造物的破坏程度。风是冷暖空气相对于地面流动的结果，其强度可用风级、风速、风压等指标来衡量。地震和风特性的区别主要体现在以下几个方面。1）重现期不同。一般情况下，地震（尤其是大震）发生次数少，重现期较长，持续时间短，破坏力大。风发生次数多，重现期较短，持续时间短，破坏力相对于地震小。2）影响因素不同。地震受地球构造、地质情况影响大，风受气候环境、地形地貌影响大，但是局部区域也可能强震与强风同时存在。3）作用方式不同。地震属于偶然作用，是以地震波的方式来传播的。由于传播介质的复杂性，地震波在传播期间容易出现反射、折射等现象，使得构造物受地震的影响也复杂。风是一种流体，不存在传播介质，在流动过程中产生的风荷载和构造物相互作用，出现自激振动现象。4）设防目标不同。地震和风的预测都是基于历史资料，但是JTG/T2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》提出了明确的桥梁抗震设防目标，但是风力无论大小都要考虑其对桥梁结构的影响，没有明确的设防目标。

2桥梁抗震设计理念与方法

2.1设计理念

2.1.1抗震概念设计

桥梁抗震设计主要分为概念设计和参数设计。概念设计主要分析方向是结构总体，参数设计是对地震力进行计算、构件性能及结构和支座变形情况进行验算等。技术人员在地震灾害中总结出：结构方案、构造措施不符合要求，即使计算精确程度再高，桥梁的抗震性能也达不到使用要求。因此，人们对抗震概念设计越来越重视。桥梁的概念设计与参数设计二者相辅相成，共同作用。

2.1.2提高结构延性

地震力产生的剪切破坏属于脆性破坏，会对桥梁造成较大的损坏。因此，改善桥梁结构，提高桥梁的延性和抗震性能非常重要。为保证结构的安全性和正常使用状态，防止桥梁出现倒塌的现象，可对核心混凝土的套箍效应进行提高，进而提高桥梁的抗剪能力，使桥梁结构的延性提高。

2.1.3多阶段设计

弹性设计理论适用范围为桥梁发生弹性变形，对于桥梁的弹塑性变形以及塑性变形不能进行分析，或分析结果不准确。延性设计的应用范围较广，因此，桥梁设计开始向多阶段设计进行转化。

2.2设计方法

2.2.1静力法

静力分析的研究与发展较早，但是该理论存在一定的缺点。分析过程中对地面的运动特性和动力特性缺少考虑,将地震产生的动力视为静止的，桥梁的安全程度通过荷载效应与抗力效应进行对比得到。对地面的运动、场地地基考虑较少。

2.2.2反应谱法

静力学计算分析对于地震作用的影响分析缺点非常明显，根据现阶段已有研究成果提出了新的研究方法———反应谱法。地震在桥梁设计中采用设防烈度来表示可以承受的最大地震作用，桥梁结构地震反应谱法能够最大限度地替代静力计算模型中的不足，动力地震反应谱很好地结合了梁结构的运动特性，静力计算还是采用原始的假定地震荷载进行分析，因此在设计中采用传统地震荷载结合地震反应谱进行分析，能够有效反映出地震对桥梁的实际影响状态。

2.2.3位移计算法

地震对于桥梁的主要作用是使桥梁产生位移，当桥梁在地震作用下产生的位移足够大时，就会使得桥梁产生开裂等破坏。从位移角度出发，在设计中需要考虑桥梁在震作用下的屈服变形能力是否能满足实际建设需求。地震作用下桥梁产生的位移不能采用强度指标进行衡量，强度指标只适用于分析桥梁脆性、弹性性能。对于位移计算，设计变量的影响因素中结构变形和位移最终计算结果反应在结构强度上，即强度越大，桥梁在受力一定的情况下位移和变形越小，反之强度越小，在受力一定的情况下位移和变形越大。

3桥梁抗风设计理念与方法

桥梁设计根本目的在于保证结构体系的安全性与可靠性，使结构的强度和刚度符合要求，桥梁抗风设计自然也不例外，在设计的抗风设计过程中，需要注重以下几方面理念和方法。

（1）在桥梁设计确定的使用年限之内，在桥梁所在位置可能产生的最大风速条件下，桥梁主体结构不能产生可造成损毁的自激发散振动。（2）在桥梁设计风荷载和其它类型作用的影响下，结构必须具备足够的抵抗强度与刚度，同时不能产生静力失稳的现象。（3）对于结构自身的非破坏性风致振动，其振幅不能超过保证行车安全的极限值，同时还应尽量减小结构疲劳与对行车舒适性造成的影响。（4）结构自身抗风能力可在设计过程中采取以下措施来提高：机械、气动或结构措施。

在自然风作用下会产生风致振动，对此在实际的抗风设计过程中应确保导致会造成危险的驰振或颤振发生的临界风速和桥梁设计风速比较有充足安全度，只有这样才能保证结构在不同阶段都表现出应有的抗风稳定性。此外，还应将涡激共振与抖振均控制在允许范围之内，防止结构疲劳或人感不适。

如果桥梁制定的最初方案无法满足抗风方面的要求，需要通过对设计的适当修改或引入一系列控制措施来提高结构体系自身抗风稳定性，同时降低由于风致振动产生的振幅。

在桥梁设计工作不同阶段，可结合实际情况针对不同精度要求进行抗风设计，或通过风洞试验来确定抗风设计方案。对普通大桥而言，在初步设计过程中，抗风分析可按照近似公式进行计算来确定不同方案对应的静风载内力与气动稳定性，在确定了初步方案以后，采用风洞试验的方法确定各项技术参数，完成抗风验算及风振分析。而对重要程度较高的桥梁而言，需要在初步设计过程中采用风洞试验的方法完成气动选型，以此为主梁断面形式的选择提供可靠依据。在桥梁的技术设计过程中，要对所选断面形式做详细深入的验算及分析，同时还要采用模型试验方法来确认最终分析结果。

根据以往的设计经验，在实际的抗风设计过程中，应掌握下列几项因素，从而更好的分析并把握设计全局：（1）风特性参数：采用调查并广泛收集当地气象资料掌握，根据收集到的信息确定合理的技术参数，以供抗风设计工作使用；（2）桥梁动力特性，这是做好风振分析的重要基础，需建立适宜的力学模型，同时注意处理边界支撑条件；（3）颤振临界风速，即桥梁产生发散性颤振现象的起始风速；（4）抖振响应，抖振使受到紊流风持续作用后产生的随机振动，属于强迫振动范畴。

结束语

综上所述，抗震与抗风设计都是桥梁设计的主要工作内容，对保证桥梁结构安全和可靠都有重要意义，以上对桥梁结构的抗震和抗风设计进行了初步分析与总结，提出相应的设计理念与方法，旨在为实际的桥梁设计提供技术参考，保证抗震与抗风设计效果。

参考文献

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