铁路混凝土桥梁抗震设计理论试验研究

随着人们对地震动和地震动反应了解的不断加深，以及对桥梁抗震能力研究的不断深入，半个多世纪以来，包括桥梁在内的结构抗震理论经历了几次跨越式的发展。如果按结构地震反应分析方法来分，迄今可用的抗震设计理论可归纳为三类：静力理论、反应谱理论和动力理论。如果按设计参数来分类，则主要包括强度设计理论、延性设计理论、减隔震设计理论和振动控制理论；另外，还有以能量、位移、性能为基本设计参数的抗震设计理论。在结构控制设计理论的发展历程中，静力理论、反应谱理论和动力理论的形成与发展具有明显的发展脉络。

反应谱理论的出现，是抗震设计理论的一次变革，与静力理论相比，其认为结构各质点在地震作用下的加速度与地面运动加速度不一致，而是与结构的自振周期和阻尼比有关。尽管反应谱理论考虑了结构的动力特性，但在设计中仍然把地震作用在结构上的惯性力当作静力作用来看待，并且按弹性方法来计算结构的地震效应。因此，反应谱理论只适用于弹性范围，不能很好地体现结构的非线性。此外，反应谱理论及其分析方法不能反映地震持续时间的影响，而持续时间是影响桥梁结构物破坏程度的重要因素之一。反应谱的生成是基于单自由度体系在地震波激励下的反应，对于多自由度体系，可采用振型分解组合方法计算地震动反应。但对于自振周期长的结构，如大跨度斜拉桥、悬索桥，采用振型分解组合方法有一定的局限性，反应谱曲线中长周期部分的理论数据也需要更多的地震数据支撑。

随着计算机水平的不断提高，利用计算机进行模拟的非线性动态时程分析方法也得到巨大的发展。动力抗震理论中最具代表性的是动态时程分析方法。动态时程分析方法是将现有所记录到的地震动记录或者人工拟合的地震波直接加载到结构上，引用动力方程对结构进行积分，从而得到结构在任意时刻的地震动反应。动力抗震设计理论概念合理、方法可靠，可以了解结构在地震过程中从弹性到塑性逐渐开裂、损坏直至倒塌的全过程，从而为控制结构的破坏、保证结构物的安全的工程措施提供依据。虽然时程分析方法相对于反应谱分析方法有了较大进步，但也存在一些不足。首先，时程分析方法相比于反应谱分析方法，计算工作量较大，现今这个问题因计算机技术的进步已有较大改善，能在可接受的时长里完成一条地震波的时程分析，但时间成本的考量还是一定程度上限制了其在一些较小工程中的运用。其次，对于计算模型中，回复力模型的参数设定较为困难，部分工程缺乏相关资料参考，要合理地设定回复力模型还需要对大量工程资料进行归纳与总结。时程分析成功的关键在于对地震波类型的选取，以及对地震波所选数量的考虑。如何才能选取最符合工程所在场地情况的地震波一直是研究的热点问题，现今地震波数据库已较为完善，但针对相关场地生成人工地震波技术的可靠性仍存在较大争议，这也为今后的研究指明了方向。不断完善的地震波数据库，也为人工地震波的合成提供足够的数据支持。

随机振动反应分析方法，认为地震动与结构地震响应都是随机现象，因而只能求得反应量的概率分布特征。通过已知荷载输入的概率分布或数字特征，确定结构反应的概率分布或概率数字特征。随机振动反应分析方法，能较好地处理反应谱分析方法中的振型组合问题，使抗震设计从确定性方法向概率理论过渡。但地震动输入的概率分布或概率数字特征的选择，以及反应量的概率分布特征的确定，都需要大量的地震动加速度过程的观测记录及丰富的数学基础知识。(https://www.xing528.com)

以上抗震设计理论和分析方法都是以保证结构安全为唯一标准的，但随着几次大地震之后，人们逐渐意识到，并不是所有结构在地震中都只需保证安全，有必要对不同的结构制定不同的抗震需求。重要的结构需要在地震下仍能保证使用，因此产生了基于性能的设计理论。

目前对于铁路桥梁结构性能目标的定义还不完善，大多都是定性的描述，而对结构抗震性能定量的描述很少，还需在结构抗震各个量化指标上寻找能与结构抗震性能目标有密切关联的参数。基于结构的抗震性能关注重点已经从结构抗震、减震转向震后结构功能可恢复与快速恢复，新的具有更好震后功能恢复特性的结构体系也不断涌现，包括具有自复位特性的各种新型结构体系以及可更换、易更换的牺牲性保护体系。此外，更加灵活多样的减、隔震措施和体系也将不断涌现，这也是未来结构抗震技术的一个重要发展方向。

宏观的设计思想微观化为抗震设计理论，进而具体化为设计方法的过程，经历了30余年的时间。在桥梁抗震设计的实践中，研究人员首先选择规则桥梁作为研究对象，提出了行之有效的性能化抗震设计方法。桥梁结构的刚度、强度、延性，是桥梁抗震设计的3个主要参数。合理的抗震设计，要求设计出来的结构，在强度、刚度和延性等指标上有最佳的组合，使结构能够经济地实现抗震设防目标。