大跨度复杂钢桥的抗震性能设计评价分析

大跨度复杂钢桥的抗震性能设计评价分析

朱丽娜

（中铁四局电气化公司 安徽 合肥 230041）

摘要：钢结构桥梁严重变形现象引起了广泛关注，抗震设计方法逐渐从关注结构构件的“强度”向关注结构的整体“性能”转变。本文通过实际工程论述了大跨度复杂钢桥抗震性能设计的评价内容与指标，通过震害事例的研究，对目前抗震性能设计评价指标进行了探讨，对合理的进行大跨度复杂钢桥性能设计提出了建议。

关键词：抗震性能设计、复杂钢桥、地震破坏分析，残余变形

1 引言

历次地震中大量的桥梁震害暴露了以往桥梁抗震设计中存在的缺陷和不足，尤其是1995年阪神地震后，钢结构桥梁严重的震害现象引起了广泛关注。在此次地震中，连续梁桥的桥墩产生的较大相对位移，使得落梁保护系统没能充分发挥作用，引起桥梁倒塌或落梁，同时较大的桥墩相对位移还造成了桥梁连接部位钢板产生屈曲变形。

随着对桥梁震害现象与机理的深入分析与研究，抗震设计方法逐渐从关注结构构件的“强度”向关渖结构的整体“性能”转变。桥梁抗震设训考虑强度和延性，并注重提高桥梁结构整体的延性能力。同时抗震设防心采用性能设计原则，即在考虑工程造价、结构遭遇地震作用水平、紧急情况下维持交通能力的必要性以及结构的耐久性和修复费用等因素下，定义桥梁允许的损坏程度(性能)及其重要性。

2 桥梁抗震性能设计方法

抗震性能设计的基本思想是以结构抗震性能分析为基础进行结构设计，基于不同强度地震作用提出不同的抗震设防标准。对具体结构得山不同的抗震性能目标以确定结构性能控制水准，进而确定相应的结构变形限值以控制结构变形来保证结构性能，采用弹性静力和弹塑性时程分析来得到一系列的性能水平，并且采用结构位移米定义结构和非结构构件的性能水平，使其在未来地震中具备预期功能。结构变形超过相应FR值则结构失效。

把性能设计思想应用到实际设计巾主要有两种力法：基于传统的设计方法和直接萆于位移进行抗震设计。后者采用结构位移作为结构性能指标。与传统设计方法相比，这种设计思路是直接以目标位移作为l故计变量进行分析计算，确定结构应有的刚度和强度，井以此为依据进行结构设计。它采用结构对应最大位移进行变形设计而不是像传统方法采用初始刚度进行变形计算，强度和刚度是设计的最终结果而不是初始的设计目标，这与结构实际情况更为符合。

在基于性能进行抗震设计时，抗震性能目标起着重要作用。按照设计目标的可以把柱体力与变形的关系分为4个阶段，每个阶段又分别对应着震后不同的使用性能(表1)。

表1 结构构件损伤程度对照表

3 基于性能抗震设计的桥梁结构分析

某大桥是基于性能进行抗震设计计算的钢拱桥。本桥以拱的两侧为中心。在空间上为非对称结构。桥梁不仅拱面为1：5的角度向内侧倾斜，而且其左右两侧起点与终点部分都为曲线。

本计算分析先对整个上部结构进行了弹性地震反应分析，利用弹性分析的结果。筛选出在弯矩作用下超过屈服强度的构件。在第二次地震反应分析中，将上述构件(主要集中在中央径间的1／4跨度附近)以及拱与主梁的结合部位的构件定义为非线性构件。

考虑构件的塑性变形进行的桥梁地震反应分析结果。按照桥梁抗震性能设计目标将桥粱构件损伤程度划分到对照表中不同级别。对于弹性构件，其最大弯矩要小于屈服抵抗弯矩(My+)，为第1级目标；对于塑性构件(即最大弯矩趟过My+)，其最大曲率要小于容许曲率，为第2级目标。通过对构件的评价，可以清楚的看到那些构件超过了屈服强度，对超过屈服强度的要素可以明确其达到的塑性的范围和程度，以便对桥的整体抗震性能有定量的了解。

4 采用性能抗震设计后的大跨度钢桥的抗震性能考察

某大桥桥长430m，设计时采用了性能抗震的设计方法。抗震性能设计目标为：

1)桥墩的残余变形≤H/100；

2)非线性区域的塑性变形(塑性率)：；

3)支座的最大剪应变变形≤250％：

4)剪断抵抗力≤允许最大剪断力。

此大桥建成一个月后，即发生丁震级达7．0的三陆冲地震，大桥距离震中的距离为200km。

附近的采用旧规范设计的大船渡码头遭到不同程度的破坏。

由于吸取了地震教训，采用了性能设计概念和抗震措施，上部和下部结构无覆盖屡脱落等明显的现象。但是桥梁局部也观察到诸如支座残余变形和不均匀沉降等现象。

橡胶支座发生的不可恢复的残余变形，达到了30-40mm；同时桥台结合部出现了一定程度的不均匀沉降，但是并没有影响震后桥梁的实际正常使用。分析其产生原因，主要归结为以下几个方面：一方面，在计算过程中假设支座为水平可动动支座，震后钢桥结构中如果有较多单元进入塑性区，累积变形反映在橡胶支序上即发生无法恢复的残余变形。另一方面，与橡胶支座本身的特性有关，它在该水平的地震作用下可能产生的最大弹性变形值超过了设计值，以致结构发生了更大的变形并进入塑性阶段，从而比设计预期的更早产生了塑性残余变形。

5 结语

性能抗震设计方法是今后抗震设计理论的发展趋势，采用性能抗震设计的概念可以使结构在未来地震中的反映特性具有。定的日丁预知性，使结构具有明确的抗震设防目标。其可行性和合理性在三陆冲地震作用下大桥的抗震性能中得到了初步体现。然而抗震性能设计存在的问题也不容忽视，支摩的残余变形过大．虽然没有影响结构的话常使用，但多次地地震的累积变形将会影响桥梁的使用状态。性能设计方法中各评价指标体系的统一与完善的理论与应用等问题尚要进一步研究，例如，在实际设计过程中所采用的设计原则不够统一标准，需建立结构使用功能丧失和损伤之间的定最芙系等。因此性能设计方法本身仍然需要进。一步规范化、标准化，结构性能水准的定义与级数、相应的结构损伤状态和结构设计准则都需要统一和完善。

参考文献：

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[2] 徐妍, 张忠宝. 日本钢桥抗震补强概略设计[J].科技资讯, 2010,(8)