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浅析自然灾害影响较大地区的桥梁安全结构设计
作者：杨光明
来源：《价值工程》2010年第34期
摘要：桥梁安全结构的设计十分重要。本文就自然灾害影响较大的地区的桥梁设计进行简单论述，主要介绍关于多洪水、台风、地震等灾害的地区的桥梁结构设计。
Abstract: The structural design of bridge safety is very important. This paper introduced the natural disasters influencing the bridge design of large areas, and mainly introduced structural design of the bridge in the areas that more floods, typhoons, earthquakes and other disasters. 关键词：自然灾害；地区；桥梁安全；结构设计
Key words: natural disasters；region；the safety of bridge；structure design 中图分类号：U44文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）34-0052-01 0引言
结构在极限状态下的力学行为是土木工程领域重要的研究内容，良好的结构方案能够部分弥补结构计算中的不足，尤其在地震、火灾、爆炸、撞击等自然和人为灾害下，对桥梁设计有必要进行结构的极限分析，以提高结构的防灾减灾能力。目前的桥梁设计中，考虑强度多而考虑耐久性少，重视强度极限状态而不重视使用极限状态，而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现，结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。在自然灾害多发的地区，桥梁结构设计则更不能单一考虑结构的用途，要进行多方面综合比选，其原则就是安全、经济、实用。 1桥梁结构设计概述
传统的桥梁结构设计主要是采用定值设计的方法，目的是追求一个满足设计规范条件下的最低水平设计，既不能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素，也不能定量地分析计算安全、适用及经济的各项指标，更无法科学地协调它们之间的矛盾。所以，为了保证桥梁安全运营、延长其使用寿命以及提高桥梁的安全性和耐久性，并且使桥梁能够更好的应对各种自然灾害，在公路桥梁结构设计中对桥梁结构可靠性研究及可靠性的应用就显得尤为重要。桥梁设计首先应该更加重视结构的耐久性问题，将耐久性的研究从定性分析向定量分析发展。
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其次，重视对疲劳损伤的研究，桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载等动荷载会在结构内产生循环变化的应力，而由此引起的疲劳损伤引起的问题往往是灾难性的。最后，充分重视桥梁的超载问题，在桥梁设计中必须对超载带来的后果进行研究、分析，从而使得桥梁安全和耐久。 2自然灾害多发地区桥梁结构设计
2.1 洪水灾害地区桥梁结构设计在洪水灾害较多的地区，桥梁主要是会受到河水的冲击，最大的考验在于桥墩局部冲刷。桥墩局部冲刷指的是由于桥墩的阻碍，水流在桥墩周围产生强烈涡流而引起的冲刷。桥墩周围水流结构主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和尺度很大的螺旋形旋涡体系。墩前水流流线接近桥墩头部发生急剧弯曲变化，剧烈淘刷桥墩周围，特别是迎水面的河床泥沙，开始产生桥墩头部的局部冲刷坑。随着冲刷坑的不断加深和扩大，水流流速减小，挟沙能力也随之降低。桥墩局部冲刷深度与墩前行近流速V有关。当行近流速V逐渐增大到一定数值时，桥墩迎水面两侧的泥沙开始冲走，产生冲刷，这时墩前垂线平均流速称为墩旁床沙的始冲流速V0，当V继续增大时，冲刷坑逐渐加深和扩大，冲刷坑深度与墩前行近流速近似直线关系。行近流速V增大到河床泥沙起动流速时，床面泥沙大量起动，上游来的泥沙有些将滞留在冲刷坑内。因此，桥墩加固就成了一个比较好的选择。桥墩的刚度即为当墩顶在发生单位位移时所需的力的大小，或称为线刚度。而线刚度的大小与墩身截面惯性矩成正比，为明确冲刷是否对墩身有影响，需计算进行验证，可见，通过增大墩身截面不失为一种提高墩身刚度并达到改善桥墩动力性能的好办法。
2.2 多台风地区桥梁结构设计多台风地区的桥梁设计重点在于风荷载。风荷载也称风的动压力，是空气流动对工程结构所产生的压力。风荷载ш与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度，及建筑体型等诸因素有关。受台风影响最大的多为大跨径桥梁，在大跨径桥梁中，静风荷载不仅会引起结构的动力特性改变，还将导致结构强度破坏和失稳。风速变化对大跨度桥梁的几何变形与内力状态都会发生变化，结构的几何刚度和质量矩阵也随之变化，从而可能影响到结构的动力特性。大桥进行设计时，主塔构件的强度是由静风荷载控制的。防风作用下的结构计算，其一，静风荷载的描述，静风荷载对大跨径桥梁的作用一般简化为风对结构的阻力、升力和升力矩的三分力的共同作用。三分力系数是风的有效攻角的函数。大跨径桥梁是柔性结构，在静风作用下，结构的姿态将发生改变，导致前风与主梁截面间的有效攻角变化，其三分力也随有效攻角而改变。所以，合理的分析方法应考虑三分力系数有效攻角改变的影响。
2.3 地震多发地区桥梁结构设计地震对桥梁的破坏主要是由于地表破坏和桥梁受震破坏引起的。其中地表破坏有地裂、滑坡、塌方、岸坡滑移和砂土液化等现象。地裂会造成桥梁跨度的缩短、伸长或墩台下沉。在陡峻山区或砂性土和软粘土河岸处，强烈地震引起的塌方、岸坡滑动以及山石滚落，可使桥梁破坏。在地震区建桥，桥的构造上应选择形状简单、整体性好、抗扭刚度大的形式，并加强桥梁上部结构和下部结构的联结部位，以防落梁。期结构抗震计算采用的是静力理论，它假设结构物各个部分与地震动具有相同的振动。由于此理论上的局限性，现在已较少使用，但因为它概念简单，计算公式简明扼要，在桥台和挡土结构等质量较大的刚性结构的抗震计算中仍常常用到。另一种，弹性反应谱法是进行抗震设计，最关心的是地
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震力的最大值。对于单质点体系最大地震力的计算式为P=m|δg+y|max=KH·β·W，式中：KH为水平地震系数；β为动力放大系数；W为体系的总重量；水平地震系数的取值根据抗震设防的烈度水准选用。对于一特定的地震波其加速度反应谱是不规则的，而且一个反应谱总相应于一定的体系阻尼比，结构的地震反应,是以卓越周期为主要成分的地震波激励下的结构的强迫振动。此外，Push2over分析方法是将地震荷载等效成侧向荷载，通过对结构施加单调递增水平荷载来进行分析的一种非线性静力分析方法，它研究结构在地震作用下进入塑性状态时的非线性性能。Push2over方法作为一种非线性静力方法，其计算过程简便易于操作，结果可以以图形方式示出，能够计算结构从线弹性、屈服一直到极限倒塌状态的内力、变形、塑性铰位置及转角，找出结构的薄弱部位。 3结束语
桥梁设计是一个复杂、系统的大工程，需要丰富的理论知识，并且尽量避免主观经验因素对设计的影响。对于自然灾害频发地区，桥梁的设计更是应该以结构可靠度为控制参数，既能处理桥梁结构中的随机不确定性，又能使安全与经济之间、近期投资与长远效益之间的矛盾得到最佳的协调，以使桥梁设计达到最优化。 参考文献：
[1]张建仁,刘扬.结构可靠度理论及其在桥梁工程中的应用[M].北京：人民交通出版社.2003．
[2]公路桥涵设计通用规范（JTG D60－2004）.人民交通出版社.2004.
