桥梁延性抗震与减隔震分析
英文摘要： This article make a brief summary for current bridge seismic design methods with the beginning of the analysis of the bridge damage in earthquake, Focusing on the application of ductility design and isolation measures in bridge. The deficiencies on the two method research were advanced. It is stressed the importance of ductility design and isolation in the present bridge design. Key words: bridge seismic; ductility earthquake; reducing isolation; plastic hinge.
中文摘要：本文从桥梁的震害分析入手，对现在桥梁抗震设计方法做一简略总结，进一步来分析探讨延性设计和减隔震措施在桥梁中的应用和发展，指出二者研究存在的不足。强调了延性抗震和减隔震在现在桥梁设计中的重要性。
关键词：桥梁抗震；延性抗震；减隔震；塑性铰.
地震一直是危害人类的重大自然灾害之一，尤其是最近几十年，全球发生了许多次大地震，给人类带来了巨大的灾难。其中受害最大的就是我国，19xx年宁夏海原地震死亡23.4万人，19xx年唐山大地震直接经济损失超过100亿人民币，24.2万人死亡，20xx年汶川地震8万多人死亡。这几次地震灾害的共同特点是：由于桥梁工程遭到严重破坏，切断了灾区交通生命线，造成灾区救援工作难以进行，使次生灾害加重，导致了巨大的经济损失。随着现代城市人口的大量聚集和经济的高速发展，对交通的依赖加强。几次地震一再显示桥梁工程抗震研究的重要性。
1. 桥梁震害分析
调查与分析桥梁的震害及其产生的原因是建立正确的抗震设计方法，采取有效抗震措施的科学依据。
国内外学者对桥梁震害的调查研究结果表明，桥梁震害主要表现为：
(1)上部结构的破坏：桥梁上部结构本身遭受震害而被毁坏的情形不多，一般都是由于桥梁结构的其他部位的毁坏而引起的。如落梁，一种是由于弹性设计理论采用毛截面刚度，这样就会低估横向地震作用和位移。导致活动节点处所设置的支座长度明显不足以及相邻梁体之间因横向距离不足而引起的相互冲击，造成落梁及相邻结构的撞击破坏；另外一种是由于地基土的作用造成大的地震位移，这种桥梁震害主要发生在建在软土或者可能液化的地基土上的桥梁上。软土通常会使结构的振动反应放大，使得落梁的可能性增加。
(2) 支座连接部位的震害：这中破坏比较常见，由于连接部位的破坏会引起力传递方式的变化，从而对结构其他部位的抗震产生影响，进一步加重震害。这种破坏是抗震设计中最关注的问题之一。
(3) 下部结构和基础的震害：下部结构和基础的严重破坏是引起桥梁倒塌，并在震后难以修复使用的主要原因。除了地基毁坏的情况，桥梁墩台和基础的震害是由于受到较大的水平地震力，瞬时反复振动在相对薄弱的截面产生破坏而引起的，从大量震害实例来看，比较高柔的桥墩多为弯曲破坏，矮粗的桥墩多为剪切型破坏，介于两者之间的为混合型。地基破坏主要表现为砂土液化，地基失效，基础沉降和不均匀沉降破坏及由于其上承载力和稳定性不够，导致地面产生大变形，地层发生水平滑移，下沉，断裂。
(4) 桥台沉陷，当地震加速度作用时，由于桥台填土与桥台是不完全固结的，桥台填土的纵向土压力增大，桥梁与桥台之间的冲撞会产生相当大的被动土压力，造成桥台有向桥跨方向移动的趋势。由于桥面的支撑作用，桥台将发生以桥台顶端为支点的竖向旋转，导致基础破坏。如果桥台基础在液化土上，又将引起桥台垂直沉陷，最终导致桥梁破坏。
以上所介绍桥梁的几种破坏形式是相互影响的，不同的地质条件和不同的抗震措施所造成的破坏程度和类型往往是不同的。这就要求我们在桥梁设计中尤其是不规则桥梁和大跨度桥梁，必须从整体分析桥梁的抗震性能。
2. 桥梁的抗震设计原则
桥梁结构的地震反应分析应以地震场地运动为依据。目前确定性的地震反应分析方法有静力法，动力反应谱法和动态时程分析法。
静力法假定结构与地震动具有相同的振动，把结构在地面运动加速度作用下产生的惯性力视为静力作用于结构物上做抗震计算。
动力反应谱法也是采用“地震荷载”的概念，从地震动出发求结构的最大地震反应，但同时考虑了地面运动和结构的动力特性，比静力法有很大进步。反应谱法概念简单，计算方便，可用较少的计算量获得结构的最大反应值。目前大多数分析软件都能很好的处理反应谱计算的问题。但是反应谱只是弹性范围内的概念，当结构在强烈地震下进入塑性工作阶段时即不能直接应用。同时，地震作用是一个时间过程，但反应谱方法只能得到最大反应，不能反映结构在地震动过程中的经历。而且针对大跨桥梁不能忽视的行波效应和多点激振都不能很好的考虑。 故大跨度桥梁的方案设计阶段，可以应用反应谱方法进行抗震概念设计以选择一个较好的抗震体系，在加以修正。
动态时程分析法从选定合适的地震动输入（地震动加速度时程）出发，采用多节点多自由度的结构有限元动力计算模型建立的地震动方程，然后采用逐步积分法对方程进行求解，计算地震过程中每一瞬时结构的位移，速度和加速度反应，从而分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件逐步开裂，损坏直至倒塌的全过程。动态时程分析法可以使桥梁的抗震设计从单一的强度保证转入强度，变形（延性）的双重保证，同时使我们更清楚了解结构地震动力破坏的机理。
此外还有功率谱法，Push-over分析方法等，这些分析方法也日益引起人们的重视。
3.桥梁的抗震设计原则
(1). 场地、地基和基础的选择
选择桥址时，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料做出综合分析。避免地震时可能发生地基失效的松软场地，选择坚硬场地。基岩、坚实的碎石类地基、硬粘土地基是理想的桥址场地；饱和松散粉细砂、人工填土和极软的粘土地基或不稳定的坡地都是危险地区。在地基稳定的条件下，还可以考虑结构与地基的振动特性，力求避免共振影响；在软弱地基上，设计时要注意基础的整体性，以防止地震引起动态和永久的不均匀变形。
(2). 桥梁体系的整体性和规则性
桥梁的整体性要好，上部结构应尽可能是连续的。整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被振散掉落，同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。无论是在平面或立面上，结构的布置都要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规整，避免突然变化。
(3). 提高结构与构件的强度和延性
桥梁结构的地震破坏源于地震动引起的结构振动，因此抗震设计要力图使从地基传入结构的振动能量为最小，并使结构具有适当的强度、刚度和延性，以防止不能忍受的破坏。在不增加重量、不改变刚度的前提下，提高总体强度和延性是两个有效的抗震途径。刚度的选择有助于控制结构变形；强度与延性则是决定结构抗震能力的两个重要参数。由于地震动是周期反复作用的运动，还要注意周期反复变形下结构和构件的刚度与强度的退化效应。
(4). 能力设计原则
常采用“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想，这种思想即能力设计原则的具体体现。
(5). 多道抗震设防
在建筑结构中，框架剪力墙结构，剪力墙是第一道抗震防线，框架是第二道抗震防线，二者变形相协调，抗力相互补，形成一种优良的抗震体系。在桥梁设计中应力图使桥梁具有多道抵抗地震侧向力的体系，在强地震动过程中，一道防线破坏后尚有第二道防线可以支承结构，避免倒塌。因此，超静定结构优于同种类型的静定结构。
桥梁抗震设计总结起来就是从强度和延性等方面来确保桥梁具有足够的抗震能力。抗力设计是基础，延性设计是保证，地震的随机性和不可预见性就要求我们在设计中更多的去考虑延性和减隔震。合理的应用概念设计来保证安全性。
4.延性抗震和减隔震
(1)延性抗震
所谓延性是指构件或结构具有承载能力不降低或基本不降低的塑性变形能力的一种性能，一般用延性比指标来衡量。
延性抗震不同与强度理论的是它通过选定结构部位的塑性变形来抵抗地震作用，塑性作用一方面通过塑性变形来耗散地震能量，另一方面塑性铰的出现使结构周期延长，从而减小地震产生的惯性力。
延性抗震验算所采用的破坏准则主要有：强度破坏准则，变形破坏准则，能量破坏准则，基于低周期疲劳特征的破坏准则以及用最大变形和滞回耗能来表达的双重指标破坏准则等。强度破坏准则应用比较广泛，随着抗震研究的发展，人们逐步认识到强度条件并不能恰当的估价结构的抗震能力。这是由于结构在强烈地震中往往会进入弹塑性阶段。这时结构的塑性变形消耗输入的地震能量。结构的自振周期也会随塑性变形的扩展而变长!从而改变地震反应的特性；结构是否破坏将取决于塑性变形的大小或塑性消耗的能量，而不是或不完全是取决于结构的强度。
抗震设防标准总结起来“小震不坏，中震可修，大震不倒”。这些标准意味着在遭遇到多遇地震时结构应该处于弹性状态。在遭遇到中等程度地震时，结构应该处于弹塑性状态，但非弹性变形应该发生在结构的选定部位(塑性铰)。当遭遇强烈地震时，结构可以经历较大非弹性变形并且出现一定程度的损伤，但结构的变形不应该危机生命和造成结构丧失整体性。对中等程度和强烈地震，规范推荐的设计地震作用的大小取决于结构的重要性、结构的延性以及允许多大程度的损伤。
延性抗震理论包括两个内容：
(1) 在结构不发生大的破坏和丧失稳定性的前提下，提高构件的滞回耗能能力。
(2) 在结构遭遇罕遇地震时，允许结构上选定部位出现塑性铰，以达到改变结构动
力特性，减小地震影响的目的。
桥梁延性抗震设计的两个阶段：
(1) 对预期会出现塑性铰的部位进行详细的配筋设计
(2) 对整个桥梁结构进行抗震能力分析验算，确保其抗震安全性。
影响延性的因素和延性抗震措施：
材料 钢材是延性很好的材料，砖石砌体的延性则很差，钢筋混凝土介于二者之间。组合结构的出现可以弥补现在桥梁结构延性设计的不足。如型钢混凝土结构，钢骨混凝土等，其承载力可以高于同样外形的钢筋混凝土一倍以上，具有较好的抗剪能力，延性比明显高于钢筋混凝土结构；滞回曲线较为饱满，耗散能力有显著提高，从而呈现出良好的抗震性能。能够隔离、吸收和耗散地震能量，减小桥梁结构的地震反应，使桥梁的变形限制在弹性范围，避免由于产生塑性变形而造成累积损伤破坏和永久残余变形，这大大提高了桥梁结构的安全度；同时可以节约材料，降低造价。
构件的受力状态 受弯构件梁的延性较大，而压弯构件柱的延性较小，桁架中压杆延性较
差，尤其在钢结构中，很多有限元分析软件在考虑杆件受压是就认为其退出工作。所以在延性设计中一定要考虑构件的受力状态，合理的控制轴压比对结构的延性有巨大的作用。 构件形式 同是压弯构件，细长杆件延性比粗短杆件好。在桥梁桥墩设计中，对于粗大的柱可以分成几个长细比较大的柱，通过类似连梁的构件连接成整体。这样不仅不会改变结构的强度而且能极大的提高柱子的延性。这种方式逐渐被应用到实际的工程中。
构件的破坏形态 钢筋混凝土构件的破坏形态对延性影响很大，适筋梁及大偏压柱的受弯破坏时延性较好(钢筋先屈服，混凝土后压坏)，剪切破坏延性较小。斜破坏是突发的脆性破坏。在桥梁尤其是桥墩设计中要绝对避免。
构件延性会直接影响结构的延性，有破坏形式的好坏可知构件不能过早剪坏。
对于桥梁结构，上部结构的设计主要受恒载、活载和温度等而不是受地震作用的控制。由于地震力仅仅对柱、墩和基础这些下部结构施加巨大的应力，所以柱、墩和基础是设计的主要部位。在结构的能力设计中，桥梁下部设计地震惯性力可以小于由地震所产生的弹性惯性力，从而使下部结构形成塑性铰并消耗掉一部分地震能量，桥梁的其他部分提供足够的强度保证所选定的能量耗散机制能在地震中形成。所以利用桥墩延性抗震是当前桥梁抗震设计中常用的方法。桥墩延性抗震是将桥墩某些部位设计的具有足够的延性，以使在强震作用下使这些部位形成稳定的延性塑性铰产生弹塑性变形来延长结构周期、耗散地震能量。在进行延性抗震设计时，按弹性反应谱计算塑性反应的地震荷载需要修正，桥梁抗震设计规范采用了综合影响系数来反映塑性变形的影响。
在具体的细部上：墩柱设计中应尽可能的使用螺旋形箍筋以便为墩柱提供足够的约束，如果采用的是箍筋，应控制箍筋间距(箍筋间距越小，其所能达到的最大延性比就越大)。另外墩身及基础的纵向钢筋伸入盖梁和承台应有一定的锚固长度以增强连接点的延性并且桥墩基脚处应有足够的抵抗墩柱弯矩与剪力的能力，不允许有塑性铰接。对于较高的排架桥墩，墩间应增设横系梁以减少墩柱的横向位移和设计弯矩!采用将桥墩某些部位(如墩脚)设计成具有足够的延性,以使在强震作用下使该部位形成稳定的延性塑性铰,并产生弹塑性变形来延长结构的振动周期,耗散地震力!
针对目前大量高架桥倒塌毁坏的教训，必须加强对抗震支座、各种形式桥墩的延性研究，利用约束混凝土的概念提高它的延性。
(2)减隔震设计
减震、隔振技术是简便、经济、先进的工程抗震手段。减震是利用特制减震构件或装置，使之在强震时率先进入塑性区，产生大阻尼，大量消耗进入结构体系的能量；而隔振则是利用隔振体系，设法阻止地震能量进入主体结构。在实践中，有时把这两中体系合二为一。与依靠增加结构构件自身强度、变形能力来抵抗地震反应的传统结构的抗震设计方法相比,结构的减、隔震技术无论在提高结构的整体抗震性能方面还是在降低结构的工程造价方面都具有很明显的好处。
减震、隔震的基本原理：
（一） 采用柔性支撑以增加结构的周期，减小结构地震反应。
（二） 采用阻尼器式能量耗散元件，以减小柔性支承处的相对位 移。
（三） 在使用荷载作用下结构具有足够的刚性。
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减、隔震的基本原理可以用能量的观点来理解。减、隔震结构在任意时刻的能量方程为Ein = Eve + Ec+ Ep + Ei。式中Ein为地震输入到结构中的总能量; Eve为结构的动能与弹性势能之和; Ec 为结构的自身阻尼耗能; Ep 为结构的弹塑性变形耗能; Ei 为减隔震装置的耗能。减隔震的原理可以认为减隔震装置比结构率先进入塑性阶段,利用自身消耗大量的能量,从而减小结构自身的耗能与塑性耗能,减轻结构的损伤破坏。 :
减隔震技术设计原则：
采用减隔震技术可以有效地提高桥梁结构的抗震能力。在设计时要分析其适用条件，正确选择、合理布置减隔震装置，并重视细部构件和构造的合理设计，以确保减隔震设计的效果。 减隔震技术并不是适合应用于各种情况。场地比较软弱、不稳定、或延长桥梁结构周期后容易发生共振等情况,不宜使用隔震技术。因此,在进行桥梁结构的抗震设计之前需要判断该桥是否适合采用隔震技术。经研究表明,只要满足下面任何一项件,就可以尝试采用隔震技术进行桥梁结构的抗震设计。
(1)地震波的角度:适用于能量集中于高频的波。
(2)结构的角度:桥梁是高度不规则的,例如相邻桥墩的高度显著不同,因而可能存在对某个墩延性要求很高的情况。桥梁下部结构刚度不均匀，引入减隔震装置可调节各桥墩刚度，避免刚度较大桥墩承担很大惯性力的情况。
(3)场地的角度:对于给定的场地,预期地面运动特性比较明确,具有较高的卓越频率和在长周期范围内所含能量较低。
在进行减隔震设计时，应将重点放在提高耗散能力和分散地震力上，不能过分追求加长周期。应选用作用机制简单的减隔震装置，并在其力学性能明确的范围内使用。另外，减隔震装置不仅要能减震耗能，还应满足正常运营荷载的承载要求。具体有以下要求:在不同水准地震作用下，减隔震支座都应保持良好的竖向荷载支承能力；减隔震装置应具有较高的初始水平刚度，使得桥梁在风荷载、制动力等作用下不发生过大的变形和有害的振动；当温度、徐变等引起上部结构缓慢的伸缩变形时，减隔震支座产生的抗力比较低；减隔震装置应具有较好的自复位能力。
减隔震装置常布置在桥墩顶部，起降低上部结构惯性力的作用或布置在桥墩底部，能较大幅度降低整个结构动力响应。同时，在减隔震设计中，要使减隔震装置充分发挥减震耗能的作用，必须使非弹性变形和耗能主要集中在减隔震装置。为了使大部分变形集中于减隔震装置，不仅要使减隔震装置的水平刚度远低于桥墩、桥台、基础的刚度，还要避免桥墩屈服先于减隔震装置屈服.另外，构造措施对减隔震桥梁的动力特性和抗震性能有重要影响。在减隔震设计中，应充分注意构造细节的设计，并对施工质量给予明确规定。
减隔震技术已经广泛的应用于各类桥梁结构中,可以根据结构自身特点,采用在不同的位置设置不同的减隔震装置,来提高桥梁结构的整体抗震性能。但是,正如前面所讲,并非所有情况都适合采用减隔震技术,对于不同的场地条件、不同的地震波,各种减隔震装置的减震效果也不一样。因此,在进行地震分析时,应该根据具体情况,经过具体分析确定采用合适的减隔震装置,来达到减隔震目的。根据阻尼特性的不同,阻尼器可以分为滞变阻尼器与粘滞阻尼器两大类。滞变阻尼器效果与结构反应位移有关,而粘滞阻尼器效果与结构反应的速度有关。当结构设置阻尼器时,由于没有相对充分的变形与速度,使得阻尼器的耗能作用发挥不明显,这时就需要改变结构阻尼器的布置方式来提高阻尼器的作用,关于如何通过布置阻尼器来提高阻尼器的作用效果还需要进行进一步的研究。组合隔震装置的研究越来越受到大家的关注,但是如何合理的确定组合隔震装置各自参数,使减隔震装置系统在不同水平的地震作用下处于不同的工作状态,以实现多级的性能指标的目的,还有待进一步的研究。
5.结论与展望
延性抗震和减隔震技术在桥梁中的应用已经广泛的引起人们的重视。它不仅可以降低造价，而且能很好的起到耗散地震能量，延长结构周期，改变结构动力响应。使得我们对概念设计有了更明确的认识。也是大跨桥梁能够快速发展的有效保证。但是并非结构的所有构件都适合延性抗震，也并非所有情况都适合减隔震。而且目前对延性抗震、减隔震的研究还不完善。对地震的随机性把握也不是很好。所以要使延性抗震和减隔震能更好的在桥梁工程中得以更大应用，以实现多级性能指标，还需要更多的研究。
参考文献：
【1】周云,宗兰,张文芳,等. 土木工程抗震设计[M ]. 北京:科学出版社, 2005: 326 - 347.
【2】范立础，胡世德，叶爱君.大跨度桥梁抗震设计.北京:人民交通出版社，2001
【3】宋晓凯. 桥梁抗震设.山西建筑.2007
【4】刘延芳, 叶爱君. 减隔震技术在桥梁结构中的应用.世界地震工程，2008-6：131-137
【5】刘 鹏.桥梁抗震的减隔震技术.科技资讯.2006
【6】范立础.桥梁抗震.同济大学出版社，2001
【7】陈虎. 桥梁抗震概念设计.国外建材科技，2004.2：122-123
【8】魏丽华，岳渠德，姜福香. 桥梁结构延性抗震分析.青岛理工大学学报，2005-6:27-29