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

刘臻,张浩

安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司

安徽省合肥市 230000

摘要：大跨度索结构桥梁具有重量大、跨度大、长度长等特点，为保证桥梁的安全性和稳定性，对桥梁的抗震设计和加固施工提出更高要求。抗震设计是大跨度索结构桥梁设计的重要部分，要根据桥梁地质特征、抗震需求等因素设计桥梁抗震方案。近年来，大跨度索结构桥梁抗震设计与加固研究受到研究人员的关注，虽然取得了一些研究成果，但目前仍然没有形成系统的大跨度索结构桥梁抗震设计与加固方法，该方面的技术还存在较大的提升空间。为此，本文针对大跨度索结构桥梁抗震设计与加固方法展开研究，以期提高大跨度索结构桥梁的承载力和抗震效果，为交通运输安全提供技术支持。

关键词：桥梁抗震；抗风设计理念；设计方法

引言

新形势下市政道路桥梁工程管理非常重要，其有效实施，能够对施工质量、施工安全、施工技术等方面予以有效地管控，保证工程施工顺利进行，达到预期目标。但当前该项管理工作在实施的过程中存在一些问题，导致其管理作用未能充分发挥。对此，应当通过完善管理制度、更新管理理念、强化施工管理等做法来改变现状，提高道路桥梁管理的有效性。

1工程概况

以某大跨度索结构桥梁为例，该桥梁全长542.51m，主跨跨径为256.62m，边跨跨径为95.46m，锚固跨径为13.62m，是双层钢桁架地锚式悬索桥。该桥梁主梁采用宽度为28.62m的混凝土箱梁，中支点梁高为6.45m，跨中梁高为3.16m，桥梁底板厚度为40～90cm，桥梁腹板厚度为70～110cm，桥墩为矩形截面，截面面积为9.26m2，桥梁设防分类为B类，抗震设防烈度为8度，设防措施等级为9级，重要性系数为E1作用下0.5。根据该桥梁实际情况，桥梁的地震设防目标为当遭遇七级以下地震时，桥梁整体结构不发生损坏，且不需要任何修复；当遭遇七级及以上级别地震时，桥梁结构仅出现轻微损伤，经过临时加固后可维持地震救援和应急交通的要求。本次以该大跨度索结构桥梁为例，根据其抗震级别需求，对桥梁进行抗震设计和加固。

2桥梁震害形式

2.1弯曲破坏

桥梁结构受水平方向地震荷载持续作用后因产生明显变形使混凝土保护层发生脱落，或钢筋压屈，或内部混凝土发生崩裂或被压碎，导致结构丧失应有的承载力。该过程包含下列四个阶段：第一阶段为在弯矩水平达到开裂强度后，在截面产生沿水平方向分布的弯曲裂缝；第二阶段为伴随裂缝不断发展与荷载强度不断提高，布置在受拉侧的纵向钢筋受到的强度达到屈服强度；第三阶段为伴随变形量不断增大，保护层发生脱落，且塑性铰范围也明显增大；第四阶段为钢筋压屈或被直接拉断，导致内部混凝土发生崩裂或被压碎。

2.2梁结构震害

梁结构震害中，主梁坠落是较为严重的震害表现形式，落梁的主要原因是桥台、桥墩因震害而出现倒塌或倾斜情况，以及梁体之间的碰撞、支座结构受损等。桥梁结构中相邻桥墩位移过大时，同样会引起落梁。

2.3剪切破坏

受水平方向地震荷载持续作用后，结构所受剪切力在达到截面剪切强度后就会出现剪切破坏，该破坏过程包含下列四个阶段：第一阶段为截面弯矩强度达到开裂或，在截面上会出现沿水平方向分布的弯曲裂缝；第二阶段为伴随裂缝不断发展以及荷载强度不断提高，将在柱内产生沿斜向分布的剪切裂缝；第三阶段为局部产生的剪切裂缝不断增大，由于箍筋屈服使剪切裂缝显著增大；第四阶段为出现脆性剪切破坏。

3桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法

3.1完善设计思路，更新设计理念

在笔者的实际工作中了解到一些实际情况。例如在实际的工程结构使用过程中，对于其工程结构的使用性能是非常重视的。然而这就导致了对于结构的建设相对重视，对于后期的维护却视而不见，这种现象是非常不利于道路桥梁的耐久性发展的。所以在设计过程中，一些道路桥梁的设计者要摒弃相关的思路，采取不同的措施和方案，对道路桥梁的设计理念进行创新，避免因缺少维护而导致的工程质量和持久性产生的安全隐患问题。从1970年中期开始，针对道路桥梁设计的一些问题，国际和国内的一些专家对于以前的经验教训做出了认真的总结，提出一系列新的措施和技术。主要是从加强道路桥梁在使用过程中的日常养护维修方面和各个施工环节的工程检测方面来做出的理念更新和技术更新。这就要求设计者在进行设计时，不要只从加强道路桥梁结构设计来进行，还要从更全面的角度思考，对道路桥梁的养护也进行新的思考，这样可以有效加强道路桥梁的使用寿命和安全性,。

3.2延性抗震设计方法

1）按照桥梁结构的类型、基本特点、抗震性能要求，桥梁结构中的部分构件可选择为延性构件。2）选定延性构件后，确定桥梁结构中塑性铰区的位置，优化该区域的结构设计，使该区域桥梁结构抗弯强度符合预期要求。3）对于需要重点预防桥梁结构塑性变形的结构，以及抗震设计中需保护的构件，还应使其强度设计高于塑性铰区的强度设计，从而在强震作用下使桥梁结构保持弹性，避免因结构的脆性而被破坏。相较于根据强度进行抗震设计的方式，延性抗震设计方法的优势更为明显。

3.3桥梁抗风设计理念与方法

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。

3.4合理设计桥梁构件

1）加强对桥梁结构、构件的强度控制是桥梁工程抗震设防的重要措施。相关人员应结合桥梁结构设计分析桥梁结构各个构件在地震作用下产生的振动能量，结合其抗震设防设计要求，选择构件材质。2）应布设减震装置，采用符合当前设计状况的大尺寸网格梁结构，对桥梁结构进行防落梁处理。另外，桥梁应尽量等跨布置，用构造简单的梁部结构，减轻桥梁结构的自重，以此减少桥梁结构的损伤。

结束语

本文对大跨度索结构桥梁抗震设计与加固方法进行研究，为此类桥梁建设实践提供了参考依据，实现了对大跨度索结构桥梁加固方法的优化与创新，对提高大跨度索结构桥梁的稳定性和抗震性具有参考意义。

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