桥梁结构地震反应分析方法综述

桥梁结构地震反应分析方法综述

摘要:地震会对桥梁结构造成极大的破坏,常常造成严重的交通中断，会影响灾后的救援工作。

所以对桥梁抗震应给予充分的重视。本文将叙述桥梁抗震分析的主要方法及其比较。 关键词：桥梁抗震 反应谱法 时程分析法 延性法 减隔震技术 中图分类号：TU 文献标识码：J 文章编号：

SUMMARY OF BRIDGE SEISMIC RESPONSE ANALYSIS MEMOD

Abstract：The earthquake would cause great damage to the bridge structure often causing serious traffic disruption will affect the disaster relief work. So the bridge seismic should be given adequate attention. The main method of bridge seismic analysis in this paper will describe and compare.

Keywords：bridge seismic response spectrum method when the process analysis method reduced ductility isolation technology

近年来随着我国工程建设的快速发展,出现了各种形式的桥梁。桥梁抗震设计中也出现了很多复杂的问题。桥梁结构地震反应分析的方法总体可分为:静力法、反应谱法、时程分析法。目前抗震桥梁设计的重要工作内容是采取合理的抗震计算方法以及有效

[1]

的抗震构造措施。反应谱法在桥梁抗震设计中是有重要应用价值的, 虽然目前大多数抗震设计规程都建议对大跨度桥梁进行抗震设计时应采用动态时程分析法,但是目前桥梁仍有很多桥梁结构采用反应谱法进行地震反应分析，但是也有必要研究反应谱法的优点及不足, 以确保桥梁工程在地震过程中有足够的抗震能力和合理的结构可

[2]

靠度。

的发展是随着人们对这些方面的认识逐渐

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深入而提高的。桥梁结构地震分析方法也随着地震灾害的不断发生经历了从静力法到动力法的演变过程。目前，桥梁结构抗震分析与设计主要采用的方法有反应谱法、时程分析法，延性法、减隔震技术等。现阶段各种抗震分析方法,又可分为确定性方法和概率性方法两大类。其中静力法、反应谱法和时程分析法均属于确定性方法, 随机振动、虚拟激励法属于概率性方法。通常所说的结构地震反应分析,基本步骤是确定输入的地震作用，建立结构地震振动微分方程, 然后通过求解振动微分方程得到结构地震反应的过程。

2地震反应分析方法研究的现状

1桥梁抗震设计的基本思路

目前，桥梁抗震设计规范的基本思路和设计准则是: 设计地震作用基本上分为功

[3]

能和安全设计两个等级。地震作用理论研究地震时地面运动对结构物产生的动态效应，桥梁结构的地震反应取决于地震动和结构自身动力特性，因此，地震反应分析方法

2.1 地震动输入

地震发生的时间、空间和强度特征不仅随时间变化，而且具有明显的随机性，合理的确定地震动输入方式是对结构进行地震

[5]

反应分析的基本问题。目前人们对地震现象的认识水平和强震观测的技术条件，仍然不能对未来地震的发生和地震波的传播做

土木工程学报（排版参照格式） 出比较确切的判断。因此，在对桥梁进行地震反应分析时，对于地震动输入方式存在着较大的误差和不确定性，目前，这个基本问题还未能得到很好解决，沿用E1、E2地震作用这种方式输入地震作用。规范常用的地震动输入的方式有地震加速度反应谱、地震动加速度时程，就目前工程实际来讲加速度反应谱是输入的主要方式，这种用地震加速度反应谱来分析的方法，在描述地面运动长周期特征方面存在不足，大跨度桥梁的迅速发展，更是增加了地震动输入的复杂性，行波效应、部分相干效应、局部场地效应成为研究的焦点问题。为了能够解决这些问题，国内外学者或研究多支承输入的反应谱法，或采用时程分析、随机振动法来处理地面运

动的非一致性[6]

。另外，地震动最不利输入方向也是地震动输入研究的一个内容。 2.2地震反应分析方法

目前世界各国的桥梁抗震设计规范中采用确定性分析方法，主要有静力法、反应谱法、时程分析法和非线性静力分析法，其中前两种方法是主要的分析方法，时程分析法是一种辅助校核方法，而非线性静力分析法则用于确定桥梁结构的破坏机制和抗震能力的评估。此外，概率性分析方法的理论研究较多，但目前不能得到用于实际工程的数值结果，这种方法目前无法在工程中应用，近年来，虚拟激励法逐渐发展起来，并已经构成了一个相对比较完善的系统。虚拟激励法将平稳高斯随机响应分析转化成为简谐响应分析，将非平稳随机响应分析转化为确定性时间历程分析，从而可以使用确定性地震分析的方法去实现随机振动问题的

求解[7]

。

2.3地基与结构的相互作用

土与结构的相互作用改变了结构的动力特性和地震响应，随着结构振动控制的发展与应用，为了能够得到预期的减震效果，

应考虑土与结构的相互作用[8]

。虽然目前在土-结构动力相互作用的理论和计算方法方面都取得了较大的进展，在线性分析方面已经具备了求解各类问题的能力，但是由于土结构动力相互作用问题的复杂性，各种假设、简化造成由不同方法得到的结构和地基反应有较大的差别，因此，目前土-结构动力相互作用的发展水平与工程之间仍存在

相当大的差距。

3 桥梁抗震设计方法的研究现状

桥梁抗震的设计方法也从地震经验中得到了不断的改进与发展，由起初的单一强度控制到强度、位移双标准控制，到现在是多指标的结构性能控制，归纳起来，桥梁的抗震设计方法主要有基于强度设计、基于位移设计、基于性能的抗震设计、基于能量设计以及能力抗震设计方法。

过去，大多数抗震设计规范是依据结构构件的强度，基于强度的抗震设计方法首先是根据反应谱或等效静力法考虑综合影响系数或反应修正系数计算地震作用效应，然后根据地震作用效应检算或设计结构构件的强度，为目前国内外主要规范所采用，如美国的 AASHTO 规范、欧洲的EUROCODE8 规范以及我国的公路和铁路工程抗震设计规范都是采用基于强度的抗震设计方法。

从实际地震监测的现象中观察到的结构反应性能表明，如果能够维持结构的初始强度，不出现由于非弹性变形的加剧而导致的强度骤然降低，结构就能在地震中达到“小震不到，中震可修，大震不倒”，而且震后维修费用将会比较小。

4延性抗震设计的基本概念

4.1 延性的定义和指标

延性抗震设计主要是利用结构、构件自身的延性耗能能力来抵抗地震作用，设计时是通过增加结构、构件延性来实现，对结构允许出现塑性铰的部分进行专门的延性设计。延性抗震设计的基本思想：结构构件可以发生塑性变形，可以发生一定的损坏，但结构不倒塌是必须能得到保证的，结构设计时，使结构具有一定的滞回特性，这种特性足以抵抗大地震产生的弹塑性变形，设计预期的大地震发生时，滞回延性要低于地震激起的反复弹塑性变形循环，免于倒塌破坏的结构抗震设防的最低目标必须始终得到保证。在抗震设计时，使结构具有延性特征，首先要确定度量延性量化的设计指标。通常用位移延性系数和曲率延性系数作为延性量化设计的指标。

土木工程学报（排版参照格式） 4.2 静力与动力的延性指标

地震动的随机性使钢筋混凝土的动力延性指标在实际中无法准确表示，结构在遭遇设计预期的大地震时，地震动作用使结构经历的反复变形循环情况无法事先预知，所以，结构构件的动力延性指标在地震动作用下也就无法确定。由于无法准确确定大地震时结构结构的动力延性指标，在设计时通常采用静力延性指标来代替，也可以采用周期反复荷载试验验证静力延性指标。

5、桥梁减隔震技术

5. 1 减隔震技术的概念和发展

减震是人为在结构的某些部位设置阻尼器或耗能构件,改变结构的动力性能,耗散结构吸收的地震能量,从而降低结构的地震反应。隔震则是指通过延长结构的自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输入,

以此降低结构地震反应[9]

。 5. 2 常用减隔震装置

1) 分层橡胶支座。分层橡胶支座,国内常称为板式橡胶支座。在抗震设计中主要考虑分层橡胶支座的水平刚度和阻尼作用等因素。

2) 铅芯橡胶支座。铅芯橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上,在支座的中部或中心周围部位竖直地压入高纯度铅芯以改善支座阻尼性能的一种减震支座。在地震作用下,铅芯屈服,刚度降低,延长了结构周期,并消耗地震能量。

3) 钢阻尼器。钢阻尼器利用钢材的塑性变形来耗能。钢阻尼器的优点是制造不需要特殊设备,费用比较合适,坚实耐用,又具有较大的耗能能力。钢阻尼器通常和橡胶隔震支座一起使用,如聚四氟乙烯滑板支座与悬臂钢阻尼器就是一种合理组合。 5.3、减隔震装置的选择

桥梁的各种减隔震系统应具备一定的柔度,用来延长结构周期,降低地震作用影响，能通过阻尼、耗能装置等对地震力进行耗散,并将支承面处的相对变形控制在设计允许的范围内，具备一定的刚度和屈服力,在正常使用荷载下结构不发生屈服和有害振动。采用减隔震设计时,应将设计的重点放在提高装置耗能能力和分散地震力上,另外,减隔震装置不仅要能减震耗能,还应满

足正常运营阶段的承载要求。

5 结构地震反应分析方法比较

反应谱分析法现阶段主要用于规则的中小跨径桥梁，反应谱理论是建立在线弹性、地震动是平稳过程基本假定的基础上，因此可以采用叠加原理进行结构的振型组合，反应谱法是利用结构的强度来抵抗变形[10]

。

时程分析法则是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法，由结构基本运动方程输入地面加速度记录进行积分求解，以求得整个时间历程的地震反应的方法。对工程的基本运动方程，输入对应于工程场地的若干条地震加速度记录或人工加速度时程曲线，通过积分运算求得在地面加速度随时间变化期间结构的内力和变形状态随时间变化的全过程，并以此进行结构构件的截面抗震承载力验算和变形验算，而延性抗震是在结构上设置可有较大变形的结构，让其变形来吸收地震能量，减隔震则是主动的去削弱、化解地震作用对桥梁结构的影响。

6问题及解决方案

桥梁抗震反应谱分析方法的改进。在结构抗震理论发展中，广义线性单自由度体系一个场地记录到的地震动与多种因素有关，比如场地条件、震中距和震源深度、震级、震源机制和传播路径等等。由于诸多随机因素的影响使得由不同记录得到的加速度反应谱具有很大的随机性。各规范反应谱之间存在一些差别,反应谱方法的缺点是：地震响应分析时必须重视振型数的取值、原则上只适用于线性结构体系、地震反应谱失掉了相位信息。

基于上述问题，应该对反应谱分析方法进行合理的改进，应该减少一部分假设，充分场地条件、震中距和震源深度、震级、震源机制和传播路径等的影响，规范应体现多级抗震设防的设计思想。抗震设防标准是桥梁抗震设计规范的重要组成部，它直接影响到桥梁建设安全和经济两方面内容。显然过高估计设防标准有利于桥梁安全，但为了经济而不合理地降低或过低估计设防标准，我们已经为之付出了惨重的代价。