桥梁抗震抗风设计理念与方法

一、桥梁抗震抗风设计及其现状

1、桥梁抗震抗风设计原因。桥梁的抗震抗风设计作为一种设计理念并不是一开始就存在的，而是根据地震灾害、风灾和工程事故，以及对地震、风灾和安全事故的反思，进行科学的总结归纳，最终进行有计划、有目的的设计。可以说，桥梁抗震抗风设计是建立在实践的基础之上的。因此，我们必须了解风灾和地震这两种主要的自然灾害。地震是一种比较常见的灾害，地质层的活动导致地表发生横向或纵向的移动，以此对地表建筑物进行了破坏。而风灾一是通过风的侵蚀，逐渐对桥梁等建筑破坏；二是强风直接对地表建筑进行破坏，如台风。

2、桥梁抗震抗风设计理念。既然桥梁的抗震抗风设计来源于自然灾害和安全事故，桥梁的设计不能只具有实践合理的属性，其必须满足设计上的科学性。如针对因地震或风灾变形严重的部位，我们需要科学的选择延展性较高的材料进行加固；如对于桥梁的整体设计和系统分析。

3、桥梁抗震抗风设计现状。针对桥梁所受到的地震和风灾，我们当今的研究主要是关于中小型跨度的桥梁，主要是从延展性和减少地震作用力两个方向进行设计。但随着桥梁跨度的增加，侧向变形的可能性加大，对桥梁整体的抗风性能提出了更高的要求。

二、桥梁抗震抗风设计方法

1、桥梁抗震抗风设计原则。桥梁的抗震抗风设计是桥梁在地震和风灾等自然力量中的抗震抗风性能。因此，桥梁的抗震抗风设计可以大致分为两个方面，一是工程设计本身所需要的科学性和合理性，二是关于抗震属性和抗风属性的加强。我们可以从设计学的角度分析，桥梁的抗震抗风设计大致有以下原则：一是系统性原则。对于抗震属性和抗风属性的加强，我们不能脱离桥梁工程建设这一主体，不能过分的强调某一属性而忽略了整体性能的提高。二是协调性原则，对于工程设计，其需要具有工学美观，符合力学的特征。在尾端和跨距设计上都需要符合力学的协调性，只有这样，桥梁作为其交通的本质属性才不会被掩盖。三是针对性原则。对于具体的地形和地质，我们需要结合当地实际，针对某一方面的属性进行加强，如沙漠边缘带风蚀厉害，抗风属性需要加强。如沿海台风等特大风灾较多，需要加强抗风性能。

2、桥梁抗震设计方法。在谈到桥梁的抗震设计时，我们必须清楚地震破坏力和破坏范围。在桥梁的抗震设计中，我们一般是针对5级烈度到8级烈度之间。具体设计而言，一是根据我们的地震烈度表，选择合适的场地，即地基。尽量避开地震带和地质活跃层，避免地基在地震中损坏。二是注重桥梁的整体性和规则性设计，整体性越强，其抗震属性越高。而整体性的加强依赖于桥梁结构，如著名的赵州桥屹立千年不倒，其重要原因也是因为其结构的严密与整体性较强。整体结构的设计可以有多个指标，如关于延性指标，其是指同等强度下的非弹性变化能力，其计算是μ=Δmax/Δy，其中Δy表示结构的首次屈服，而Δmax则是表示其最大的变形。三是通过弹性的计算，运用弹性理论进行相关的设计。

3、桥梁抗风设计方法。而桥梁抗风设计，我们可以借鉴江苏省的苏通长江大桥进行分析。其采用的是2×100+300+1088+300+2×100的跨径，是世界上跨度最大的斜拉桥。并且，苏通大桥的主航道桥采用三维有限元模型进行分析计算，其中用梁单元和析架单元模拟主梁、边墩等，用来考虑垂直力度和几何刚度。通过对苏通长江大桥体系的深入分析，我们可以发现，抗风设计首先需要注意模型的选择，如苏通大桥在考虑风荷载时，针对三种不同的分析方式（Fixed-Free一侧限位装置生效；Fixed-Fixed—两侧限位装置生效和Free-Free—全桥纵飘体系）进行了比较，最终是决定采用效果最佳的Fixed-Fixed模型。其次则是针对斜拉索和桥梁震动以及结构进行科学的分析与模拟，最终优化结构设计，利用斜拉索对桥梁的各种震动和风力进行平衡，最终实现桥梁的高抗风属性。而关于阻尼系数的计算，我们可以通过CH=FH/0.5PU2D，其中FH是阻力，U为来流风速，P为空气密度，D则是桥塔塔柱横桥的迎风面宽度。主梁风荷载的计算则是通过一下公式进行计：其中，CD是主梁的阻力系数，CL是主梁升力系数，CM是主梁升力矩系数，H是主梁的高度，B是主梁的宽度，GVA是顺桥方向的等效静阵风系数，GVT是横桥方向的等效静阵风系数。而斜拉索的风荷载则是通过一下计算公式：其中，CDX是斜拉索顺桥方向的阻力系数，CDZ是斜拉索横方向的阻力系数，α是斜拉索的倾斜角度，D是斜拉索直径。此外，还有桥墩的风荷载的计算方法，计算公式与上差不多，只需要将各个系数换成相对应的即可。通过对各种系数的计算，平衡风力，找出最佳的平衡方式，才能实现抗风属性最佳设计。

三、总结

总而言之，针对桥梁的抗震与抗风设计，根据不同的地理位置和不同的自然环境，我们需要有不同的设计方法，需要搜集不同的资料以明确我们选择什么样的设计模型。只有这样，我们才能真正设计出高抗震和高抗风的桥梁。

作者：梁浩 单位：山西省交通科学研究院

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