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【摘要】地震波和風荷載會影響橋梁結構的受力特性，從而影響橋梁的工作狀態(tài)和運營壽命。鑒于此，論文從重現(xiàn)期、作用方式、設防目標、破壞形式等方面對地震和風的特性進行對比，分析靜力法、反應譜法、動態(tài)時程法、位移設計法等在橋梁抗震設計中的應用，探討了風參數(shù)、橋梁動力特性、顫振臨界風速、抖震效應等對橋梁抗風設計的影響，并研究了橋梁抗風靜力計算、可靠性設計等。

【關鍵詞】橋梁工程；抗震；抗風；設計方法；設計理念

1引言

經(jīng)過多年的快速發(fā)展，我國公路網(wǎng)也逐漸成型，橋梁工程的建設規(guī)模逐年增加。橋梁結構作為公路交通流通行的重要構造物，其受力特性十分復雜。隨著全球地震活動和極端氣候頻發(fā)，橋梁工程在運營期間可能受到地震波和風荷載的雙重作用，如果橋梁抗風抗震能力設計不足，可能發(fā)生失穩(wěn)、顫振等病害，影響行車安全和舒適度，嚴重的可能會出現(xiàn)橋梁結構倒塌事故，造成一定程度的人員傷亡和經(jīng)濟損失。目前國內(nèi)外很多學者和工程人員針對橋梁抗震與抗風設計開展了許多研究，但目前沒有形成系統(tǒng)性的理論和規(guī)范來指導設計，研究成果一般局限于某種特定的計算方法，也很少有人將橋梁結構的抗震抗風設計進行對比、分析[1]。因此，研究橋梁抗震與抗風設計理念及設計方法十分重要。

2地震和風的特性分析

地震和風都是影響橋梁結構安全運營的重要因素之一，尤其是大跨度橋梁。但是地震和風由于本身特性的差異，對橋梁結構的影響并不完全相同，使得橋梁結構的抗震和抗風設計理念、設計方法也有一定的差異。地震是因為地球自轉(zhuǎn)或構造而出現(xiàn)，其強度可用震級和烈度來表示，前者表示地震本身的強度大小，后者表示地震對構造物的破壞程度。風是冷暖空氣相對于地面流動的結果，其強度可用風級、風速、風壓等指標來衡量。地震和風特性的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個方面[2]。1）重現(xiàn)期不同。一般情況下，地震（尤其是大震）發(fā)生次數(shù)少，重現(xiàn)期較長，持續(xù)時間短，破壞力大。風發(fā)生次數(shù)多，重現(xiàn)期較短，持續(xù)時間短，破壞力相對于地震小。2）影響因素不同。地震受地球構造、地質(zhì)情況影響大，風受氣候環(huán)境、地形地貌影響大，但是局部區(qū)域也可能強震與強風同時存在。3）作用方式不同。地震屬于偶然作用，是以地震波的方式來傳播的。由于傳播介質(zhì)的復雜性，地震波在傳播期間容易出現(xiàn)反射、折射等現(xiàn)象，使得構造物受地震的影響也復雜。風是一種流體，不存在傳播介質(zhì)，在流動過程中產(chǎn)生的風荷載和構造物相互作用，出現(xiàn)自激振動現(xiàn)象，地震和風的作用方式如圖1所示。4）設防目標不同。地震和風的預測都是基于歷史資料，但是JTG/T2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規(guī)范》提出了明確的橋梁抗震設防目標，但是風力無論大小都要考慮其對橋梁結構的影響，沒有明確的設防目標。5）破壞形式不同。地震對橋梁結構的破壞形式主要有彎曲破壞、剪切破壞、落梁破壞、支座損傷等。風對橋梁結構的破壞主要有顫震、抖震、渦激共振、風雨震等。

3橋梁結構抗震設計

3.1橋梁抗震設計理念

橋梁抗震結構在進行抗震設計時要進行技術性和經(jīng)濟性對比，一方面要確保結構的強度、剛度、延性等參數(shù)達到最佳，另一方面要抗震方案造價不能過高。這就要求設計人員在開展抗震設計時，不能盲目地套用相關規(guī)范，而是要結合具體工程特點、自身工作經(jīng)驗、科學的設計理念來選擇經(jīng)濟可行的抗震措施。相關研究成果表明，橋梁結構在進行抗震設計時應盡量遵循以下基本設計理念[3]：1）合理選擇工程場區(qū)。在選擇橋梁工程場區(qū)時盡量選擇不易出現(xiàn)地基失效的堅硬場地，碎石類地基、不穩(wěn)定的坡地都是危險地區(qū)。2）確?？拐痼w系的完整性。橋梁上部結構應盡量連續(xù)、完整，質(zhì)量和剛度均勻，這樣在地震波作用下橋梁構件不容易震散掉落。3）提高構件強度和延性。橋梁結構受地震破壞主要是因為地震波傳入構件中，因此，在橋梁構件質(zhì)量、剛度不變的情況下，增加其強度和延性是重要的抗震措施。4）能力設計。傳統(tǒng)的設計理念強調(diào)橋梁各構件應有相等或相似的安全度（不存在明顯短板），但是各構件重要程度是不相同的，等安全度設計理念對于橋梁抗震設計并不完全適用。橋梁抗震應考慮安全度差異，確保橋梁構件在地震波作用下不發(fā)生脆性破壞即可。

3.2抗震設計方法的變化

3.2.1靜力法。靜力理論發(fā)展較早，它是以結構強度為破壞準則，不考慮地面運動特性和結構動力特性，而是將橋梁結構受到地震波時的動力響應視為地震慣性力，并將場地地基、結構重要性程度等對結構的影響簡化為某一系數(shù)來考慮。當結構的荷載效應小于或等于抗力效應時，認為橋梁結構是安全的，能滿足抗震要求。3.2.2反應譜法。反應譜法又稱為動靜法，是基于反應譜理論來計算最大地震力，可以用來評價地面運動和結構動力特性對橋梁結構抗震性能的影響，但仍以強度破壞為準則。3.2.3動態(tài)時程法。隨著動力學理論的發(fā)展，越來越多的學者開始關注地震振動的結構—基礎—土的共同作用。在地震波作用下，橋梁構件會發(fā)生各種彈性、彈塑性變形，基于此可建立地震作用下橋梁的動態(tài)時程方程。動態(tài)時程法不僅可以考慮結構強度，還考慮了結構的延性，從而使橋梁結構的抗震計算結果更加符合實際情況。3.2.4位移設計法。目前橋梁設計規(guī)范中是允許構件在地震作用下出現(xiàn)微小的塑性屈服變形的，但是變形不得影響橋梁安全。這也說明，強度并不是衡量橋梁結構的單一指標，故有學者提出了基于位移的設計理念，將橋梁結構的變形或應變當作變量。

4橋梁結構抗風設計

4.1橋梁抗風設計理念

橋梁結構在進行抗風設計時，首先要分析影響橋梁抗風性能的主要因素：1）風參數(shù)。根據(jù)收集到的歷史資料，并結合橋梁所處的地形、風向等選擇合理的風特性參數(shù)用于橋梁抗風設計。2）橋梁動力特性。這是橋梁抗風分析的前提條件，應當準確選擇力學模型和邊界條件。3）顫振臨界風速。顫振臨界風速是橋梁結構出現(xiàn)顫振現(xiàn)象的起始風速，當外界風速小于臨界風速，振動呈衰減趨勢，因此要確保顫振臨界風速高于橋梁的設計基準風速，以提高橋梁結構的抗風穩(wěn)定性。4）抖震效應。橋梁結構抖振的最大振幅應當在允許范圍內(nèi)，從而防止結構疲勞[4]。如果橋梁結構的設計方案抗風性能不滿足規(guī)范要求，應及時修改結構方案，并選擇相應的措施來提高橋梁抗風能力，減小橋梁在風力作用下的顫震和抖震幅度。

4.2橋梁風振設計方法

4.2.1橋梁抗風的靜力計算。風荷載出現(xiàn)是因為橋梁結構改變了流場的分布特性，風荷載對構件的作用能夠分解成阻力FH、升力FV和升力矩MT,計算公式如式（1）~式（3）：式中，U為平均風速；CH為阻力系數(shù)；CV為升力系數(shù)；CM為扭矩系數(shù)；D為橋梁高度；B為橋梁寬度；ρ為空氣密度。將上述分力代入JTG/T3360-01—2018《公路橋梁抗風設計規(guī)范》中的橋梁傾覆失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風速即可驗算橋梁結構的抗風能力。4.2.2橋梁風振可靠性設計。橋梁結構風振可靠性指的是在風荷載作用下，橋梁結構在特定時間和條件下，發(fā)揮其設計功能的概率，該方法屬于結構動力可靠性理論的一個分支。橋梁結構風振可靠性系統(tǒng)主要包括風荷載統(tǒng)計描述、系統(tǒng)特性概率描述、失效狀態(tài)物理描述3個方面的內(nèi)容[5]，具體如表1所示。

5結語

本文詳細探討了地震和風的特性，橋梁結構的抗震、抗風設計理念和設計方法，主要得到以下幾方面結論：（1）地震和風在重現(xiàn)期、作用方式、設防目標、破壞形式等方面不同，對橋梁結構的影響也有一定的差異；（2）橋梁結構在進行抗震設計時應合理選擇工程場區(qū)、確保抗震體系的完整性、提高構件強度和延性，并選擇安全度差異抗震設計理念；（3）橋梁結構抗震設計方法包括靜力法、反應譜法、動態(tài)時程法、位移設計法等；（4）影響橋梁抗風設計的因素有風參數(shù)、橋梁動力特性、顫振臨界風速、抖震效應等，常用的設計方法有橋梁抗風的靜力計算、橋梁風振可靠性設計等。

【參考文獻】

[1]陳浩.橋梁抗震、抗風設計理念及設計方法研究[J].建設科技,2016(17):113-114.

[2]王英偉.橋梁抗震、抗風設計理念及方法研究[J].工程與建設,2016,30(4):492-495.

[3]鄭宏剛.劉家峽懸索橋風致振動及三維非一致激振抗震分析[D].蘭州:蘭州交通大學,2012.

[4]李保木.大跨度橋梁抗震與抗風分析的隨機振動時域顯式方法研究[D].廣州:華南理工大學,2019.

[5]何晗欣.橋梁抗震與抗風及其影響因素分析研究[D].西安：長安大學,2011.

作者:劉楚 文琰 單位:九江市規(guī)劃設計集團有限公司