工程结构抗震概论

工程结构抗震概论

史同豪1

（1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074）

摘要：本文结合关于结构抗震最新技术和设计理念，对结构抗震的方法、措施、原理进行描述，对未来结构抗震设计发展展开构思设想。

关键字：结构抗震、结构控制、延性设计

1抗震设计

1.1抗震设计的概念

抗震设计，又叫减隔震设计，由减震设计和隔震设计两部分组成。与减震设计不同，隔震设计在设计过程中应考虑结构的振动周期数值。当公路桥梁遭遇地震时，桥梁结构上设置的隔震设施可以对地震波所带来冲击起到一定程度的延缓作用，使桥梁结构所承受的能量减少，从而对桥梁起到保护作用。在实际应用过程中，减隔震设计中关键设备的阻尼装置和耗能构件起到了决定性作用。

1.2抗震设计的原理

1.2.1结构控制

在对公路桥梁结构设计过程中，常采用的结构控制技术有混合控制技术、被动控制技术及主动控制技术3种。设计中最常采用的为被动控制技术。这一技术的原理是设计人员通过数值计算实现桥梁结构的最优布置，最大限度地降低地震对桥梁所带来的影响。经实践可知，在抗震设计过程中采用结构控制技术可以提高公路桥梁的抗震性能。

1.2.2延性设计

公路桥梁结构强度及延展性的提升，对抗震设计起着决定性的作用。公路桥梁结构振动是地震对桥梁破坏的主要方面。公路桥梁的延性设计目的在于以塑性变形来抵抗地震作用，虽然整体的变形变大，但地震作用传入桥梁内部的内力减少，降低了公路桥梁建设在受到地震等自然灾害的破坏，能够得以再次使用，减少经济损耗。

2抗震设计在桥梁结构中的应用

2.1桥梁结构在地震中的灾害

1）桥台震害。

发生桥台震害后，桥台、桥梁基础结构的主要表现形式是滑移。滑移问题产生后，桩柱式桥台结构会开裂、折断，重力式桥台则会出现下沉、台体位移[1]。

2）桩墩震害。

桥墩震害的主要表现为墩台开裂、结构倾斜、折断和沉降等，桥墩下部结构中的钢筋构件会呈现出“灯笼”状，混凝土结构会崩裂。

3）支座震害。

支座震害多表现为支座结构上的锚固螺栓被迫拔出、支座断裂和倾斜。但不同类型的支座的震害表现形式有所差异。

4）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。

5）地震位移。

桥梁上部结构中活动节点宽度设置不当时，桥梁结构会出现位移问题，地震位移的主要表现形式是梁体碰撞，对于液化地基，桥梁结构位移后还会引起落梁风险，出现横向、纵向位移情况[2]。

2.2桥梁结构抗震设计方法

2.2.1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。

2.2.2位移抗震设计方法

位移抗震设计方法设计思路是结合桥梁抗震设计目标与设防措施进行抗震设计，可分为直接设计、间接设计两种。

间接设计流程是按照传统的基于桥梁结构承载力的抗震设计方法初步设计桥梁结构，然后评估桥梁结构中的变形、损伤参数，分析桥梁抗震性能，核对桥梁结构极限位移，满足位移控制目标即可。

直接设计法则是以桥梁结构位移作为基础设计参数，然后根据不同地区桥梁结构的地震设防水准、抗震设计的目标位移计算桥梁结构在地震作用下的位移反应谱。

2.2.3静力抗震设计方法

为提升桥梁结构的抗震性能，设计过程中还应采用静力抗震设计方法，增强桥梁结构的抗震效果。基于静力法对桥梁结构进行抗震设计时，可假设桥梁结构在地震作用下的震动频率相同，且桥梁结构上的作用力为地面运动、物质质量产生的惯性力。所以，在桥梁抗震设计时，设计人员可忽视结构本身的动力性与运动特征，并根据惯性力评估桥梁结构的内力。然后以此为依据进行桥梁结构设计，使地震作用下的桥梁结构不会受损。

2.3桥梁结构抗震设防措施

2.3.1做好基础抗震措施

桥梁抗震设防是在地震作用下，按照桥梁结构的设计要求，使桥梁预期功能符合设计要求的措施，桥梁结构设防需要遵循桥梁设防标准。

1）设计桥梁结构时，设计人员应重视桥梁基础结构刚度、强度的提升，同时注意减轻桥梁上部结构产生的荷载，避免因地震作用出现动态变形问题。

2）抗震设防时，还应加强桥梁建设中的基础规划，科学选择施工场地。

3）基础抗震设防时，还应重视桥梁结构的整体性，以及桥梁上部结构的连续性，避免出现桥梁构件脱落。

2.3.2科学布设桥梁支座

桥梁结构抗震设计中，支座设计与布置方法会直接影响桥梁抗震设防效果。为提升桥梁结构的抗震性能，应科学布设桥梁支座，合理选择桥梁支座形式，同时优化支座布局。

2.3.3优化下部结构设计

1）通过桥墩结构延性设计，对桥梁结构进行减震处理。例如，设计桥梁高墩时，将高墩设计为空心墩，必要时可通过增加桥柱直径，使用双排柱式桥墩，设置横系梁的方式，使桥梁结构具有较强的抗剪强度和抗弯延性。

2）布设桥梁墩台顶帽时，应采取相应的防落梁措施。最不利受力墩应采用塑性铰、减震隔离支座。

3）对桥梁上部结构进行抗震设防时，可在桥梁底部布设焊接钢板，或使用约束设备限制横向、纵向结构的位移。在此基础上，还应灵活连接桥梁的梁体结构与墩帽。

4）针对桥梁节点结构进行抗震设防。结合桥梁结构震害表现可知，桥梁的节点结构在受到外部作用力后，易产生开裂、折断、位移等损害，且无法及时修复，因此，影响桥梁安全性能和稳定性。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。

3抗震设计的构思

桥梁抗震的两大方法是隔震和耗能。隔震原理下的延性设计和隔震设计已经被规范收录采用，而采用耗能原理的各种阻尼器还未在规范中体现，在以往的抗震设计中，都是注重梁与下部结构连接处的加固、设阻尼，而承载结构的墩柱卸载、消耗地震能的有关设计又都是通过提高配箍率、选用高强度混凝土的方式加固桥墩。这些设计在长细比较小的矮墩柱效果显著，但是在长细比较大的细柱、薄壁墩上效果欠佳，当墩下基础是软卧层时，这种方法对矮墩抗震也是不利的。虽然长细柱与薄壁墩依靠自身具有一定的揉度，可以抵消部分地震能，但是超过一定程度的地震对细柱、薄壁墩而言将是毁灭性的。考虑到可以在梁与墩之间可以设置阻尼器，试想是否可以在桩基与墩的连接处设置阻尼。受到地震冲击时，在提供墩以上结构的支撑力的同时，可以在一定范围内墩与桩可以发生相对挫动，从而抵消部分地震带来的能量。

参考文献：

[1] 何瑞淼,夏力.高层混凝土建筑抗震结构设计要点分析[J].陶瓷,2023,(05):137-139+150.

[2] 张朝阳.建筑钢结构抗震设计及优化策略[J].陶瓷,2023,(05):179-181.

[3] 马秀娟.高层建筑结构抗震设计研究[J].化肥设计,2023,61(02):19-21.

[4] 丁聪.现代建筑结构抗震设计的技术要点研究[J].中国设备工程,2023,(08):220-222.

[5] 张玉兰.抗震设防施工中的工程监理研究[J].房地产世界,2023,(06):91-93.

[6] 周雅萍.中小学校舍抗震鉴定探讨[J].工程质量,2023,41(03):90-94.

[7] 姜安民,董彦辰,王飞飞,熊奇伟. 装配式混凝土结构连接方式分类及性能研究[J].科技创新与生产力,2023,(03):58-62+67.[8] 李亚明,张晖.城市建筑抗震韧性提升[J].上海建设科技,2023,(01):6-10.

[9] 郑先鹏.关于工民建结构抗震设计的思考[J].房地产世界,2023,(03):118-120.