斜交桥抗震设计综述

王子豪

重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400041

摘要：本文主要介绍了有关斜交桥抗震设计的内容，包括斜交桥的主要震害特点、各国抗震规范中有关斜交桥的内容和对于斜交桥震害发生机理的试验研究和数值模拟。也给出了一些关于提高斜交桥抗震性能的措施，总结了斜交桥抗震设计方面的不足之处。

关键词：斜交桥；震害特点；震害机理；数值模拟；防震措施

1. 研究背景

随着我国经济社会现代化程度愈来愈高，城市市政立交桥梁和城际高速公路的建设需求也急剧增加。而过去路线走向服从桥梁的思维方式已经不符合社会发展的需求，所以斜梁桥梁大量出现。斜梁桥可以改善城市道路线形和提高道路通行能力，并且造价省，耗材少，社会经济效益高。因此斜梁桥在道路选线决定桥梁走向的公路上应用很广，例如高速公路，斜梁桥占了道路总桥数的一半左右。

斜梁桥与正交桥最大的区别就是支承边与桥梁纵向轴线并非成直角，这个角与直角的度数差就是斜交角。而斜度与斜交角互余。可以按两端的斜度是否相同将斜梁桥分为规则斜梁桥和非规则斜梁桥。

斜梁桥是一种空间非对称结构，地震作用下桥面系会绕竖轴转动。因此，研究斜梁桥在地震作用下的表现并且针对其缺点作出抗震设计就变得很有意义。

2. 桥梁震害特点

地震是由地球内部活动引起的无法避免的自然灾害，一直以来都对自然界有着巨大的损害,随着人类社会的城市化和集群化，人口居住密度大幅增加，因此减少地震的危害就成了人们亟待解决的问题。对处在不同地震烈度区的以及不同抗震需求的建筑物进行工程结构抗震设计就是很有必要的了。各种不同的交通设施是一个国家的骨骼，而桥梁结构则是骨骼中的关节，桥梁建设对于一个国家的交通能力至关重要。对以往的地震灾情信息进行分析，可以看出震区桥梁是通往灾区的重要枢纽，桥梁的破坏会使国家的救灾行动严重受阻，也影响的灾区的重建工作。以往的地震灾害数据统计结果显示，桥梁类型，细部构造和所处地质条件，对震害类型和程度有重要影响。虽然地震是随机性的，每个桥梁所处地质条件也各不相同，但是其震害类型和机理存在一定的共性，其中的共同之处可以作为抗震设计的参考。只有充分认识斜交桥的震害特点和发生机理，才能对斜交桥的地震响应更加了解，进而设定合理的抗震规范。

通过对遭到震害影响的斜梁桥进行统计分析，得出了斜交桥的常见震害形式：

1. 桥跨脱落

这是斜梁桥最常见的震害。因其在锐角处没有足够的承载力和支承长度，所以容易发生支承剪坏引起的桥跨偏移较大，进一步导致桥跨脱落。典型范例是1999年土耳其伊兹米特地震中Arifiye跨线桥的倒塌。

2. 桥台与桥跨碰撞破坏。

当上部结构各构件间距过小，地震作用下会导致相互碰撞，使结构发生破损甚至破坏。桥梁构件间的相互碰撞可以分为：相邻两跨的桥面系、桥面系与桥台以及桥面系与横向挡块。

3. 下部结构破坏。

斜梁桥的弯扭耦合引起的桥面旋转使得桥墩在地震作用下轴力和剪力增大，桥墩的轴力增大会使桥墩的抗弯刚度退化，使桥墩强度稳定性降低。

4. 支座破坏

支座起到了传递荷载与限制位移的作用，但是很薄弱也容易破坏。无论是正交桥还是斜交桥，支座的震害现象是普遍发生的，对于公路桥梁普遍采用的板式橡胶支座，因其与主梁和垫石之间未锚固，所以地震作用时限位作用较低，易使支座脱落。

综上所述，由于斜交桥独特的地震特性，桥面易发生平面内的转动，并且有斜度增大的趋势。因桥面易发生旋转，地震作用时会出现由横向位移过大引起的挡块和支座的破坏，严重时会引起桥跨脱落。对于下部结构，横向位移过大会使桥墩的扭矩过大导致桥墩损坏。

3. 影响抗震性能的因素

国内外学者对影响斜交桥地震性能的参数分析做了很多工作，弄清斜交桥地震作用下的震害发生机理以及影响抗震性能的因素是非常有必要的。

1. 参数分析

S.Maleki分析了单跨简支斜交桥受到地震作用时斜度和跨径的影响。研究发现：跨径相同时，斜度对其影响并非呈线性增加，可以从其与正交桥地震响应的对比中看出，斜度越大地震响应相差越大；斜度较大时，跨径对其地震响应的影响远高于斜度较小时。文献^[2]研究了支座布置方式这个影响斜交桥地震响应的因素，认为支座平行于桥轴的抗震性能优于平行于桥台。

2. 碰撞效应分析

地震作用下结构间相互碰撞是很常见的现象，是否考虑碰撞因素会对分析结果产生很大的影响。因此，研究斜交桥的碰撞效应对其抗震设计有重要作用。S.Maleki研究了简支梁桥设置横向挡块对碰撞效应的影响，建立了无阻尼简化模型来研究桥梁的横向碰撞效应，认为不考虑碰撞因素会使分析结果不准确甚至错误。何健等^[5]建立了考虑扭转刚度的单梁有限元模型并设置碰撞单元，研究表明：在远离桥端处的主梁轴向刚度与碰撞刚度相差不大，但梁端截面最外缘应设置碰撞单元；碰撞会使上部结构水平位移过大，易导致上部结构旋转和脱落。顾红飞

^[6]分析了两跨连续斜交桥的顺桥向碰撞效应和横桥向碰撞效，研究发现：顺桥向和横桥向碰撞会有程度不同的相互影响。孙庆凯^[7]建立更加精致和贴合实际的斜交桥有限元模型，分析碰撞效应的影响，研究指出：碰撞效应会引发上部结构发生平面内旋转使钝角处支承破坏进而引起桥跨脱落。

4. 不足与展望

斜交桥地震破坏机理的研究已有近40年的历史了，人们对其原因有了初步了解，但是斜交桥抗震设计的理论研究仍处于起步阶段，现行的斜交桥抗震设计理论和设计方法也过于复杂和不够实用。即使小跨径简支斜交桥也需按照现行各国斜交桥抗震规范进行分析。耗费了很多时间和人力资源，这会使抗震设计出现本末倒置的问题。对以下问题进行充分研究，才可以更好地简化现行的抗震设计规范。

1. 简单有效的有限元模型

市场上的有限元分析软件种类繁多功能强大，计算机性能也较以前有了飞跃式的提升，对于复杂精细的全桥有限元模型的求解没有任何问题，但是依然耗时耗力。所以需要提出一种简单有效切实可行的有限元模型来简化斜交桥抗震设计过程。

2. 充分可靠的参数分析

目前的斜交桥有限元模型都只考虑上部结构在横向和纵向地震动分量作用下的参数的影响。而参数对桥梁整体受到三向地震动作用下的影响的考虑不足。忽略竖直分量对下部结构的影响会使斜交桥抗震设计受到一定影响。

参考文献：

1. 邓志荣.公路斜交桥的地震反应分析[D].长沙理工大学,2010.

2. 何健,叶爱君.连续斜交梁桥地震下碰撞效应分析[J].中南大学学报:自然科学版,2012, 43(4):1475-1481.

3. 顾红飞.斜交箱梁桥地震响应特性分析[D].西南交通大学,2011.

4. 孙庆凯.强震作用下斜交梁桥碰撞及落梁研究[D].济南,山东建筑大学,2013.

作者简介：王子豪（1997-），男，汉族，山东济宁人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：曲线梁桥抗震