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山区大跨度桥梁设计

大跨度公路桥梁往往处于公路交通运输的枢纽和咽喉地

段，为道路生命线工程的重要组成部分。对山区大跨度公路桥梁设计的

研究具有重要的现实意义，在桥型的比选上有相当的难度和复杂性，而

桥梁的设置是否合理，桥梁设计方案是否合理，直接影响整条路线的工

程造价及使用功能。因此在设计中必须协调好桥梁各细部构造与地形、

地质之间的关系。以下针对山区大跨度桥梁的特点，探讨山区大跨度桥

梁设计的要点，对大跨度公路桥梁进行正确的抗震分析，对于提高其抗

震能力，特别是抗大震的能力是至关重要的。目前，国内外进展迅速的

桥梁建设已对大跨度公路桥梁的抗震分析提出了更高的要求，与之相应

的结构地震反应分析理论研究也呈现出一些新的特点。对于大跨度公路

桥梁而言，在强震作用下结构的非线性性能、地震波传播过程中的多点

激振效应、隔震技术的动力模型及其应用研究以及地震反应分析软件研

究具有更大的现实意义。

一、非线性地震反应分析

大跨度桥梁结构的非线性可分为材料非线性（又可称为物理非线性

或弹塑性）和几何非线性两种，一般情况下结构的几何非线性可通过考

虑所谓的P-△效应来进行在结构非线性地震反应分析的计算理论研究

方面，备受关注的是结构的弹塑性分析，这不仅是因为相对于几何非线

性而言，结构的弹塑性性能对于结构的抗震性能影响较大，而且更由于

问题的复杂性。所以国内外众多学者针对后者开展了大量的研究工作。

在大跨度公路桥梁弹塑性地震反应分析的力学模型中，根据各种构件的

工作状态，将结构简化为杆系结构是合理的，同时对计算而言也是非常

经济的。若按构件所处的空间位置可把力学模型分为平面模型和空间模

型两种。若按模型中所采用的单元应力水平的种类来分，又可分为微观

模型（采用应力空间）和宏观模型（采用内力空间）两种。由于微观模

型要求将结构划分为足够小的单元，尽管很有效但所需的计算量较大，

只适用较小规模的结构或构件的非线性分析，因此在实际工作中应用的

范围比较有限，所以这里仅按前一种分类方法来加以讨论。

在结构弹塑性地震反应分析中，构件恢复力模型的确定是基本的步

骤而构件的恢复力关系又集中反映在滞回特性曲线上，基本指标有曲线

形状、骨架曲线及其特征参数、强度、刚度及其退化规律、滞回耗能机

制、延性和等效滞回阻尼系数等。国内外在这方面已进行了大量的试验

研究并取得了相应的研究成果。在平面模型中，根据所采用的塑性铰类

型可把它分为集中塑性铰模型和分布塑性铰模型两大类。在集中塑性铰

模型中，有代表性的一种是Clough等于1965年提出的双分量单元模型，

该单元模型采用两根平行杆来模拟构件，其中一根用来表示具有屈服特

性的弹塑性杆，另一根用来表示完全弹性杆，非弹性变形集中于杆件两

端的集中塑性铰处，该模型的最大不足是不能考虑构件刚度退化。另一

种有代表性的是1969年Giber-son提出的单分量模型，它克服了Clough

双分量模型的不足，同时只用两个杆端塑性转角来刻划杆件的弹塑性性

能，而杆件两端的弹塑性参数又是相互独立的，因此应用起来较为简便。

其缺点是基本假设中有地震过程中反弯点不能移动的限制，所以对一些

与基本假设不甚相符的特殊情况其使用的合理性就受到了限制。

二、多点激振效应

通常桥梁结构的地震反应分析是假定所有桥墩墩底的地震运动是

一致的。而实际上，由于地震机制、地震渡的传播特征、地形地质构造

的不同，使得入射地震在空间和时间上均是变化的。即使其他条件完全

相同，由于地面上的各点到震源的距离不同，它们接收到的地震波必然

存在着时间差（相位差），由此导致地表的非同步振动。这一点已被地

震观测结果所证实。因此，多点地震输入是更合理的地震输入模式。特

别是大跨度桥梁结构，当地震波的波长小于相邻桥墩的跨度时，入射到

各墩的地震波的相位是不同的，由于在桥长范围内各墩下的基础类型和

周围的场地条件可能有很大的差别，因此入射到各墩的地震波的波形也

可能是不同的。有关实际震害表明，入射地震波的相位差可增大桥跨落

梁的危险性。所以就地震波传播过程中的多点激振效应进行研究是有很

大的实际意义的。

从概念上看，仅考虑入射地震波的相位变化情况属于行波效应分析

问题。若再考虑地震波的波形变化就属于地震波的多点输入问题。从计

算方法上看，由于多点地震输入算法与同步激振的计算方法不同，因此

必须重新推导结构体系的动力平衡方程。美国学者Penzien和Clough于

1975年推导了多自由度体系