桥梁抗震设计方法综述

姜 宁

（河北省邯郸市交通运输局城郊公路养护处，河北 邯郸056002）

0 引言

由于我国很多地区处于地震多发带，因此，很多桥梁在设计过程中，必须要预先考虑到桥梁的抗震性能。随着我国对于引发地震的机理，地震波的传递特征和地震波作用下结构产生的动力响应的特点、破坏特征、结构的抗震能力的研究和探索的不断深入，我国桥梁工程的抗震设计方法有了长足的发展。目前，我国桥梁抗震设计方法主要是基于强度、位移、能量、性能和概率性的抗震分析法。

1 基于强度的设计法

基于强度的设计法，主要包括静力法和反应谱法等。

静力法由意大利人首先提出，后在日本得到了发展和推广。1900 年，大森房古提出了关于地震烈度表的概念，将地震烈度的绝对指标，利用静力等效水平最大加速度amax表示。同时，提出了结构物所受地震力的表达式：

式中：W为结构物的重量；amax为地表运动加速峰值；g为重量加速度；k为地震系数。

由于静力法假设结构物与地震具有相同的振动规律，因此，由地震力引起的构造物惯性力就等于地表运动加速度与结构物质量的乘积，将构造物的惯性力代替静力，进而对结构进行线弹性静力分析。如果从动力学角度进行分析，该方法忽略了结构物自身具有的动力特性。只有当结构物近似于刚体时，弹性静力法才能够完全适用。

反应谱法则是在保留了静力分析的同时，又考虑了地震震动与结构动力特征的关系。该方法在20 世纪60 年代就已经被各国写入规范，至今，世界上仍有许多国家将该方法作为结构抗震设计中地震作用计算的理论基础，其计算公式为：

2 基于性能的设计法

随着抗震研究的不断深入，科研人员逐渐认识到，强度条件无法恰当地作为结构抗震能力的评估指标，这是由于材料在强震中往往会进入弹塑性阶段，材料的塑性变形会消耗一部分地震能量，同时，结构的自振周期也会发生改变，从而改变地震反应的特征。塑性阶段消耗地震能量的大小和变形情况是判断结构是否发生破坏的重要因素，并不是完全取决于材料的强度。这是在历次地震和地震模拟试验中得到证实的结论。

基于性能的设计法，主要包括倒推分析法、能力谱法、基于位移设计法以及地震损伤性能设计法等。

倒推分析法就是基于结构位移性能的抗震思想结合反应谱分析的静力弹塑性分析法。该方法采用一定的水平加载方式，对结构施加单调递增的水平荷载，将结构位移推至指定位置，从而研究结构的非线性性能。该方法的优点是：与振型分解反应谱法相比较，它考虑了结构的弹塑性特征；与时程法相比较，它的计算数据简明，工作量小。

能力谱法是在倒推分析法的基础之上建立起来的，该方法将加速度-位移格式的结构能力谱与地震需求反应谱进行比较，可以直观地判断出结构的抗震性能。

基于位移设计法是将结构允许位移作为判断指标，然后利用结构的强度进行检验的方法。

3 概率性抗震分析法及虚拟激励法

随着人们对地震研究的不断深入，发现由于震源与传递介质之间的偶然因素等影响非常普遍，地震波的传递随机性非常强，因此，将地震作为随机过程模拟更加符合实际情况。随机反应研究是随机干扰已知的统计数据特征，进而统计分析结构体系的反应特征。

功率谱法是一种基于地震发生概率的分析方法，该方法有如下几个优点。

（1）无需寻找振型组合，可以直接利用计算方差与峰值因子的乘积最大值，数据清晰，概念明确。虽然，确定结构体系的峰值因子难度较大，但是，峰值因子是一组数据，可以利用数值模拟技术进行准确的确定。

（2）功率谱只与地震有关，与结构特性的参数无关。

（3）目前的完全二次方组合（CQC）等反应谱组合与人工地震模拟，均采用功率谱作为其中的一道试验环节。

在复杂桥梁模型中，应用功率谱法，仍然有很多计算上的问题没有解决，因此该方法在桥梁抗震领域并没有得到广泛应用。

虚拟激励法是近几年不断探索得出的随机响应的分析方法，该方法的特点是：将平稳的随机响应分析转化为简谐响应分析，将非平稳随机响应分析转化为具有确定时间的历程分析，从而帮助工程技术人员实行随机振动的求解。该方法包含了全部的振型和随机激励等相关项。对于结构比较复杂的工程项目，其计算效率得到了很大的提高。

4 结语

目前，在世界各国有很多关于桥梁抗震的设计方法，且各具优缺点。其中，大多数是利用计算机的程序化运算来实现的。在实际的桥梁工程中，应该根据桥梁的不同设计要求和不同种类的设计形式选取合适的抗震方法。目前，反应谱法和动力时程分析法是在桥梁抗震设计中应用最为普遍的方法，但是，对于桥梁的大跨结构和高墩结构，在应用时程分析法时，应该考虑到行波效应与桩-土互相作用的实际情况，从而建立更加真实合理的结构模型，以确保桥梁抗震设计的有效性。

[1] 叶爱君，胡世德，范立础.大跨度桥梁抗震设计实用方法[J].土木工程学报，2001（2）：1-6．

[2] 叶爱君.桥梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2002．

[3] 周国良. 高墩及大跨桥梁的地震反应特性研究[D]. 北京：中国地震局地球物理研究所，2004.

[4] 范立础，卓卫东.桥梁延性抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5] 范立础.桥梁抗震设计[M].上海：同济大学出版社，1997.