桥梁抗震与抗风设计及方法探究

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【摘要】地震波和风荷载会影响桥梁结构的受力特性，从而影响桥梁的工作状态和运营寿命。鉴于此，论文从重现期、作用方式、设防目标、破坏形式等方面对地震和风的特性进行对比，分析静力法、反应谱法、动态时程法、位移设计法等在桥梁抗震设计中的应用，探讨了风参数、桥梁动力特性、颤振临界风速、抖震效应等对桥梁抗风设计的影响，并研究了桥梁抗风静力计算、可靠性设计等。

【关键词】桥梁工程；抗震；抗风；设计方法；设计理念

1引言

经过多年的快速发展，我国公路网也逐渐成型，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，可能发生失稳、颤振等病害，影响行车安全和舒适度，严重的可能会出现桥梁结构倒塌事故，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，但目前没有形成系统性的理论和规范来指导设计，研究成果一般局限于某种特定的计算方法，也很少有人将桥梁结构的抗震抗风设计进行对比、分析[1]。因此，研究桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法十分重要。

2地震和风的特性分析

地震和风都是影响桥梁结构安全运营的重要因素之一，尤其是大跨度桥梁。但是地震和风由于本身特性的差异，对桥梁结构的影响并不完全相同，使得桥梁结构的抗震和抗风设计理念、设计方法也有一定的差异。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[2]。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，地震和风的作用方式如图1所示。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。5）破坏形式不同。地震对桥梁结构的破坏形式主要有弯曲破坏、剪切破坏、落梁破坏、支座损伤等。风对桥梁结构的破坏主要有颤震、抖震、涡激共振、风雨震等。

3桥梁结构抗震设计

3.1桥梁抗震设计理念

桥梁抗震结构在进行抗震设计时要进行技术性和经济性对比，一方面要确保结构的强度、刚度、延性等参数达到最佳，另一方面要抗震方案造价不能过高。这就要求设计人员在开展抗震设计时，不能盲目地套用相关规范，而是要结合具体工程特点、自身工作经验、科学的设计理念来选择经济可行的抗震措施。相关研究成果表明，桥梁结构在进行抗震设计时应尽量遵循以下基本设计理念[3]：1）合理选择工程场区。在选择桥梁工程场区时尽量选择不易出现地基失效的坚硬场地，碎石类地基、不稳定的坡地都是危险地区。2）确保抗震体系的完整性。桥梁上部结构应尽量连续、完整，质量和刚度均匀，这样在地震波作用下桥梁构件不容易震散掉落。3）提高构件强度和延性。桥梁结构受地震破坏主要是因为地震波传入构件中，因此，在桥梁构件质量、刚度不变的情况下，增加其强度和延性是重要的抗震措施。4）能力设计。传统的设计理念强调桥梁各构件应有相等或相似的安全度（不存在明显短板），但是各构件重要程度是不相同的，等安全度设计理念对于桥梁抗震设计并不完全适用。桥梁抗震应考虑安全度差异，确保桥梁构件在地震波作用下不发生脆性破坏即可。

3.2抗震设计方法的变化

3.2.1静力法。静力理论发展较早，它是以结构强度为破坏准则，不考虑地面运动特性和结构动力特性，而是将桥梁结构受到地震波时的动力响应视为地震惯性力，并将场地地基、结构重要性程度等对结构的影响简化为某一系数来考虑。当结构的荷载效应小于或等于抗力效应时，认为桥梁结构是安全的，能满足抗震要求。3.2.2反应谱法。反应谱法又称为动静法，是基于反应谱理论来计算最大地震力，可以用来评价地面运动和结构动力特性对桥梁结构抗震性能的影响，但仍以强度破坏为准则。3.2.3动态时程法。随着动力学理论的发展，越来越多的学者开始关注地震振动的结构—基础—土的共同作用。在地震波作用下，桥梁构件会发生各种弹性、弹塑性变形，基于此可建立地震作用下桥梁的动态时程方程。动态时程法不仅可以考虑结构强度，还考虑了结构的延性，从而使桥梁结构的抗震计算结果更加符合实际情况。3.2.4位移设计法。目前桥梁设计规范中是允许构件在地震作用下出现微小的塑性屈服变形的，但是变形不得影响桥梁安全。这也说明，强度并不是衡量桥梁结构的单一指标，故有学者提出了基于位移的设计理念，将桥梁结构的变形或应变当作变量。

4桥梁结构抗风设计

4.1桥梁抗风设计理念

桥梁结构在进行抗风设计时，首先要分析影响桥梁抗风性能的主要因素：1）风参数。根据收集到的历史资料，并结合桥梁所处的地形、风向等选择合理的风特性参数用于桥梁抗风设计。2）桥梁动力特性。这是桥梁抗风分析的前提条件，应当准确选择力学模型和边界条件。3）颤振临界风速。颤振临界风速是桥梁结构出现颤振现象的起始风速，当外界风速小于临界风速，振动呈衰减趋势，因此要确保颤振临界风速高于桥梁的设计基准风速，以提高桥梁结构的抗风稳定性。4）抖震效应。桥梁结构抖振的最大振幅应当在允许范围内，从而防止结构疲劳[4]。如果桥梁结构的设计方案抗风性能不满足规范要求，应及时修改结构方案，并选择相应的措施来提高桥梁抗风能力，减小桥梁在风力作用下的颤震和抖震幅度。

4.2桥梁风振设计方法

4.2.1桥梁抗风的静力计算。风荷载出现是因为桥梁结构改变了流场的分布特性，风荷载对构件的作用能够分解成阻力FH、升力FV和升力矩MT,计算公式如式（1）~式（3）：式中，U为平均风速；CH为阻力系数；CV为升力系数；CM为扭矩系数；D为桥梁高度；B为桥梁宽度；ρ为空气密度。将上述分力代入JTG/T3360-01—2018《公路桥梁抗风设计规范》中的桥梁倾覆失稳和扭转发散临界风速即可验算桥梁结构的抗风能力。4.2.2桥梁风振可靠性设计。桥梁结构风振可靠性指的是在风荷载作用下，桥梁结构在特定时间和条件下，发挥其设计功能的概率，该方法属于结构动力可靠性理论的一个分支。桥梁结构风振可靠性系统主要包括风荷载统计描述、系统特性概率描述、失效状态物理描述3个方面的内容[5]，具体如表1所示。

5结语

本文详细探讨了地震和风的特性，桥梁结构的抗震、抗风设计理念和设计方法，主要得到以下几方面结论：（1）地震和风在重现期、作用方式、设防目标、破坏形式等方面不同，对桥梁结构的影响也有一定的差异；（2）桥梁结构在进行抗震设计时应合理选择工程场区、确保抗震体系的完整性、提高构件强度和延性，并选择安全度差异抗震设计理念；（3）桥梁结构抗震设计方法包括静力法、反应谱法、动态时程法、位移设计法等；（4）影响桥梁抗风设计的因素有风参数、桥梁动力特性、颤振临界风速、抖震效应等，常用的设计方法有桥梁抗风的静力计算、桥梁风振可靠性设计等。

【参考文献】

[1]陈浩.桥梁抗震、抗风设计理念及设计方法研究[J].建设科技,2016(17):113-114.

[2]王英伟.桥梁抗震、抗风设计理念及方法研究[J].工程与建设,2016,30(4):492-495.

[3]郑宏刚.刘家峡悬索桥风致振动及三维非一致激振抗震分析[D].兰州:兰州交通大学,2012.

[4]李保木.大跨度桥梁抗震与抗风分析的随机振动时域显式方法研究[D].广州:华南理工大学,2019.

[5]何晗欣.桥梁抗震与抗风及其影响因素分析研究[D].西安：长安大学,2011.

作者:刘楚 文琰 单位:九江市规划设计集团有限公司