浙江工业大学
《桥梁抗风与抗震》
课程综述报告
姓 名： 王 昭
学 号：导 师： 袁伟斌
日 期： 2015.01.09
目 录
1 桥梁的震害及破坏机理 ................................................................ 3
1.1 桥梁震害 .............................................................................. 3
1.2 破坏机理分析 ....................................................................... 6
1.3 抗震设计及加固技术措施 ................................................... 7
2 桥梁抗震分析理论 ........................................................................ 9
2.1 抗震设计流程 ....................................................................... 9
2.2 抗震设计基本原理 ............................................................. 10
3延性抗震和减隔震抗震设计 ....................................................... 12
3.1桥梁延性抗震设计 .............................................................. 12
3.2 桥梁减隔震抗震设计 ......................................................... 15
3.3减隔震技术与延性抗震设计的比较 ................................... 16
4 风对桥梁的作用及风致振动 .................................................... 17
4.1 风对桥梁作用的现象及作用机制 ...................................... 17
4.2 风致振动 ............................................................................ 18
参考文献 ......................................................................................... 21
桥梁抗风与抗震课程综述报告
1 桥梁的震害及破坏机理
1.1桥梁震害
地震是地球内部某部分急剧运动而发生的传播振动的现象，是迄今人类力量无法控制的自然灾害。地球上平均每年都要发生近千次的破坏性地震，其中破坏力巨大的灾难性大地震即达十几次，这些地震在它们波及的范围内，均造成惨重的生命财产损失。桥梁作为重要的社会基础设施，是生命线工程中的关键部分，在地震发生后的紧急救援和抗震救灾、灾后恢复重建中具有极其重要的地位。强烈地震可能导致桥梁受到严重损伤或倒塌，造成交通中断，使抗震救灾工作受阻，以致造成生命和财产的更大损失，使震害程度扩大。因此对桥梁震害及其机理的清晰认识，对于桥梁的设计、采取合理有效的抗震对策，保证桥梁在地震中的安全和正常使用具有重要意义。
桥梁结构受到的地震影响从结构抗震设计的角度讲主要有两种形式：即地基失效引起的破坏和结构强烈振动引起的破坏。两者破坏的原因不同：前者属于静力作用，是由于地基失效产生的相对位移引起的结构破坏；后者属于动力作用，是由于振动产生的惯性力引起的破坏。根据以往的震害情况分析，桥梁震害主要分为上部结构震害、支座震害、下部结构震害和基础震害[1]。
1.1.1 上部结构震害
由于受到桥梁墩台、支座的隔离作用，在地震中，桥梁上部结构因直接受惯性力作用而破坏的情况较少在发现的少数此类震害中，主要是钢结构的局部屈曲破坏，如图1（a）。但因支承连接件失效或下部结构失效等引起的落梁、主梁的移动、扭曲、裂缝等现象，在破坏性地震中常有发生，其中落梁现象最为严重。从梁体下落的形式看，有顺桥向的、也有横桥向的和扭转滑移的，其中顺桥向的落梁最为常见，如图1（b）所示。
如果相邻结构的间距过小，在地震中就有可能发生碰撞，产生很大的撞击力，从而使结构受到破坏。此类破坏中比较典型的有相邻跨上部结构的碰撞、上部结构与桥台的碰撞以及相邻桥梁间的碰撞[2]，如图1（c）、（d）、（e）所示。
（a）钢结构局部屈曲 （b）顺桥向落梁破坏 （c）相邻跨碰撞
（d）上部结构与桥台的碰撞 （e）相邻桥梁间的碰撞
图 1 上部结构震害
1.1.2 支座的震害
桥梁支座是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的环节。上部结构的地震惯性力通过支座传到下部结构，当传递荷载超过支座设计强度时，支座发生损坏。常见的有支座移位、支座锚固螺栓拔出剪断、支座脱落和支座自身破坏等形式，如图2所示[1]。
（a）支座位移 （b）支座辊轴拔出 （c）支座自身破坏
图2 支座震害
支座损坏引起桥梁传力路径改变甚至中断，严重的会引起落梁。支座损坏也
是落梁的主要原因。但对于下部结构而言，支座损伤可以阻断上部结构的地震荷载传到桥墩，在一定程度上减小桥梁下部结构的损坏。
1.1.3 下部结构的震害
下部结构的严重破坏是引起桥梁倒塌、震后难以修复的主要原因。
地震引起的下部结构破坏主要是桥墩的破坏，一般是从接缝处的轻微断裂开始，继而扩展到四周而造成破坏；素混凝土也会因施工缝而产生断裂。高柔的桥墩多为弯曲型延性破坏，多表现为开裂、混凝土剥落压溃、钢筋裸露和弯曲等，并会产生很大的塑性变形[4]，如图3（a）所示。粗矮的桥墩多为剪切型脆性破坏，如图3（b）所示。此外配筋设计不当还会引起盖梁和桥墩节点部位的破坏。桥梁下部结构和基础的严重损坏，极易造成桥梁倒塌且在震后较上部结构破坏更难以修复使用。
除了上述桥墩的破坏，桥梁桥台的破坏也很常见，如图3（c）所示，除了地基丧失承载力引起的桥台滑移外，桥台的震害主要表现为台身与上部结构的碰撞以及桥台的向后倾斜。一般墩柱基脚的破坏很少见，如图3（d）所示，但是一旦发生，后果很严重。
（a）桥墩弯曲型延性破坏 （b）桥墩剪切型脆性破坏 （c）桥台震害 （d）基脚破坏
图3 下部结构震害
1.1.4 基础的震害
基础在地震中也易发生破坏，且这类震坏由于发生在地表以下，难以及时准确地判断震害严重程度，具有很大的隐蔽性。
地基失效（如土体滑移和砂土液化）是桥梁基础产生震害的主要原因。因为地震会引起地基的液化，使承载力下降与基础下沉，进一步引起桥梁墩台的沉陷，多出现在承载力不很高的砂质粘土、粘土质砂土等地基中。地基的液化使其剪切强度大大降低，使桥梁基础及桥台受静土压力和地震土压力的作用而沿液化层水平滑移或转动[2]。
1.2 破坏机理分析
1.2.1 落梁与碰撞破坏
落梁是发生最为频繁的事故现象，而产生落梁现象的最主要原因就在于：桥梁墩柱与梁体连接部位的构造设计不够合理[3]。当墩梁间的相对位移大于主梁搁置长度后，主梁将从桥墩脱落从而导致落梁。而当梁体之间、相邻桥之间的预留间距过小，在地震作用下梁体发生顺桥向或者横桥向的较大位移时可能会发生破坏[]。具体破坏过程如下图4所示。
图4 桥梁落梁与碰撞破坏过程分析
1.2.2 桥墩台的破坏
桥墩台的破坏常见的原因有：
1）设计抗弯强度不足
由于以往对桥墩地震破坏的认识不足，纵向钢筋往往在墩底搭接或焊接，桥墩的主筋通常未达到设计强度就因焊接强度不够或搭接失效而弯曲破坏。
另一种
情况是设计地震力取值偏低造成的。由于设计地震力取值偏低，当与其它静力荷载效应组合时，计算弯矩图数值偏低，而且形状也不对，据此确定的桥墩反弯点位置偏差也很大，使所配纵向钢筋在桥墩中过早切断，造成桥墩在中间位置发生弯剪破坏。
2）设计抗剪强度不足
以往设计的桥墩，其横向钢筋直径通常较小，间距也往往在 30-50cm 之间，显然不足于抵抗强烈地震动引起的横向剪力作用。
3）构造缺陷
例如，横向箍筋直径偏小，间距过大，不能约束砼和防止纵筋屈曲；纵筋的墩底焊接强度不够或搭接失效、在桥墩中的过早切断；纵横筋的锚固长度不足；箍筋端部未做成弯钩等[5]。
1.2.3 基础的破坏
虽然基础破坏在桥梁震害中不是很常见，一般因为强度不足或构造不合理破坏居多。例如，对于桩基而言，破坏通常是由于桩基自身设计强度不足或构造处理不当引起的，由于其具有隐蔽性，震后不易发现且修复的困难，所以在设计和施工时应保证桩基具有足够的强度，采用能力保护设计，同时重视构造设计，加强桩顶与承台连接构造措施，延长桩基深入稳定土层的长度等。
另外，在设计选址与设计阶段，桥位应选择在对抗震有利的地段，尽可能避免选择在软弱粘性土层、可液化土层和地层严重不均匀的地段，特别是发震断层地段。如必须设置在可液化或松软土层的河岸地段时，桥长应适当增长，将桥台置于稳定的河岸上，而桥墩基础要加强[2]。
1.3抗震设计及加固技术措施
目前，抗震加固的技术措施也在工程中有具体应用。加固计划分为三个阶段进行，第一个阶段的主要的目的是加强上部结构和下部结构的联系，后两个阶段是同时进行的，其目的是提高墩柱的抗弯强度、抗剪强度及延性、提高盖梁、上部结构、基础与桥台的承载能力，提高节点的抗剪强度。
根据震害调查结果，桥梁结构抗震加固的部位有：上部结构、桥墩加固、盖梁加固、基础加固和桥台加固。上部结构的加固包括支座、伸缩缝处的防落梁措施，采用的方法是增设限位器(如图5所示)、增设挡块、增加支承面宽度、设置Lock-up Device 装置等[6]。
（a）钢绞线纵向限位 （b）钢绞线纵向和竖向限位
图5 采用限位器防落梁措施
桥墩的加固主要方式有钢套管(如图6(a)所示)、预应力钢绞线、增加截面和纤维增强复合材料(如图6(b)所示)，其中钢套管和纤维增强复合材料的加固方式应用较多，纤维增强复合材料有碳纤维、玻璃纤维等，用纤维增强复合材料约束混凝土时可采用单一纤维，也可以采用碳纤维与玻璃纤维混杂的方式；盖梁的加固可以采用增设预应力钢筋混凝土加强块的方式实现，如图7所示。
(a)刚套管加固 （b）纤维材料加固
图6 桥墩抗震加固措施
图7 盖梁内设置体内预应力筋加固方式
另外，基础的加固可以通过增设斜撑杆和增加基础高度的方式；增加沉降板和锚杆可以减少桥台的沉降和水平移动[6]。
2 桥梁抗震分析理论
2.1 抗震设计流程
桥梁工程的抗震设计流程如下图8所示，包括7个主要步骤，即抗震概念设计、确定设防标准、确定场地类别、选择桥梁抗震体系（延性设计或减隔震设计）、地震反应分析、抗震性能验算以及抗震构造与措施选择。抗震设防是指对结构进行抗震设计并采取抗震措施，其指导思想是预防为主；减轻结构震害，避免人员伤亡，减少经济损失，使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行。抗震设计以抗震设防烈度为设防依据，规定设防范围为6 度及以上地震区。桥梁抗震设计思想目前普遍趋向于采用多级设防的抗震设计思想即采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三级设防[1]。
图8 桥梁工程抗震设计流程[1]
基于合理安全度原则，确定桥梁工程的抗震设防标准时，应考虑三方面因素：
1）根据桥梁的重要性程度确定该结构的设计基准期；
2）地震破坏后，桥梁结构功能丧失可能引起次生灾害的损失；
3）建设单位所能承担抗震防灾的最大经济能力。
2.2 抗震设计基本原理
桥梁结构地震分析方法也随着地震灾害的不断发生经历了从静力法到动力法(包括反应谱方法和时程分析方法)的演变过程。目前桥梁抗震设计规范中采用确定性分析方法，主要有静力法、反应谱法、动态时程分析法和Push-over 拟静力分析法，其中前两种方法是主要的分析方法，时程分析法是一种辅助校核方法，而非线性静力分析法则用于确定桥梁结构的破坏机制和抗震能力的评估[6]。
2.2.1 静力理论方法
抗震设计的静力法假设结构各个部分与地震动具有相同的振动，因此，结构因地震作用引起的惯性力——地震力就等于地面运动加速度与结构总质量的乘积，再把地震力视为静力作用在结构上，进行结构线弹性静力分析计算[7]。静力法以地震荷载代替结构在地震强迫振动下的激励外因，把地震加速度看作是结构地震破坏的单一因素有极大的局限性，因为它忽略了结构动力特性这一重要因素。只有当结构物的基本周期比地面运动卓越周期小很多时，结构物在地震振动时才可能几乎不产生变形而被当作刚体，静力法才能成立，它大多用在桥台和挡土结构的抗震设计中。
Push-over 法(又称为拟静力法)是一种非线性静力分析方法，在近年里得到很大的发展和应用。它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，它研究结构在地震作用下进入塑性状态时的非线性性能。采用对结构施加呈一定分布的单调递增水平力的加载方式，按预先确定的水平荷载加载方式将结构“推”至一个给定的目标位移，来分析其进入非线性状态的反应，从而得到结构及构件的变形能力是否满足设计及使用功能的要求[8]。其计算分析步骤如下图9所示。
图9 非线形Push-ove方法分析过程
2.2.2反应谱理论方法
反应谱法是根据结构弹性反应分析结果建立的, 反映了震源特性、场地类别, 各国家规范以不同的方式考虑了桥梁结构弹塑性和结构抗震设防类别的影响。
反应谱理论是建立在以下假定之上的：第一，结构物的地震响应是线性的；第二，结构各支点所受的激励相同，即一致激励假定；第三，结构物的最不利地震响应为其最大地震响应，而与其他动力响应参数无关。反应谱方法的优点是：概念简单，计算方便，可以用较少的计算量获得结构最大反应值。其缺点主要是原则上只适用于线弹性结构体系的抗震。
2.2.3动态时程分析方法
动态时程分析方法，是将地震动记录或人工波作用在结构上，直接对结构运动方程进行逐步积分，求得结构任意时刻地震反应的分析方法，所以动态时程分析方法也称为直接积分法。时程分析可得到结构在地震动作用下的响应时程，详细了解结构在整个地震持时内的结构响应，可同时反映出地震动的三要素，即：振幅、频谱、持续时间对结构响应的影响，利用结构的动力特性和所施加的动荷载求出任时刻结构的响应(位移、内力等)，是目前桥梁地震响应分析的有力工具。
根据分析是否考虑结构的非弹性行为，动态时程分析法又可分为弹性动力时程分析和非线性（弹塑性）动力时程分析两种，该方法是随着计算机技术和有限元方法的发展而产生的，它将结构物离散为多节点、多自由度的有限元动力计算模式，把地震强迫振动的地震加速度时程直接输入，对结构物进行地震反应时程分析，不管是弹性动力时程分析还是非线性（弹塑性）动力时程分析，都需要借助计算机程序完成。
时程分析法可以较好地考虑结构、土和深基础的相互作用，以及地震波相位差和不同地震波多分量多点输入等因素。同时，也可以考虑结构的几何和材料非线性 影响以及各种减震、隔震装置的非线性性质。该方法还可以使桥梁的抗震设计从单一的强度保证转入强度、变形（延性）的双重保证，同时使我们更清楚结构地震动力破坏的机理和正确提高桥梁抗震能力的途径[1]。
除上述三种主要的分析方法外，虚拟激励法是近几年发展起来的一种新的方法，并已经构成了一个比较完善的系统。虚拟激励法将平稳随机响应分析转化成为简谐响应分析，将非平稳随机响应分析转化为确定性时间历程分析，从而采用确定性分析方法实现随机振动的求解[6]。
以上所述三种主要分析方法之间的比较如表1所示。
表1 地震反应三种分析方法的比较[7]
(注:表中“需求”指地震动对结构的最大作用效应，“能力”指结构的抗力和变形能力。）
3延性抗震和减隔震抗震设计
3.1桥梁延性抗震设计
3.1.1 延性设计的基本思想
延性设计的基本思想是：通过延性设计，使结构具有能够适应大地震激起的反复的弹塑性变形循环的滞回延性，则结构在遭遇设计预期的大地震时，尽管可能严重损坏，但结构抗震设防的最低目标——免于倒塌破坏却始终能得到保证。延性抗震理论不同于强度理论的是，它是通过结构选定部位的塑性变形（形成塑性铰）来抵抗地震作用的。利用选定部位的塑性变形，不仅能消耗地震能量，还能延长结构周期，从而减小地震反应。从延性的本质来看，它反映了一种非弹性
变形的能力，即结构从屈服到破坏的后期变形能力，这种能力能保证强度不会因为发生非弹性变形而急剧下降。
从能量观点看，结构延性抗震设计的基本原理，即允许结构部分构件在预期的地震动下发生反复的弹塑性变形循环，这些构件被设计成具有较好的滞回延性（结构在反复荷载作用下的延性），通过这些构件在地震动下实际发生的反复的弹塑性变形循环，耗散掉大量的地震输入能量，从而保证了结构的抗震安全。滞回耗能与弹性应变能如下图10所示。
图10 滞回耗能与弹性应变能示意图
采用延性概念来设计抗震结构，要求结构在预期的设计地震作用下必须具有一定可靠度保证的延性储备。也就是说，必须在概率意义上保证结构具有的延性超过预期地震动所能激起的最大非弹性变形（延性需求）。尽管延性抗震概念在经济上有很大的优越之处，但这些优势总是以结构出现一定程度的损坏为代价。
3.1.2延性设计中的能力设计方法
由于无法可靠地预测未来发生的地震地面运动，应该把注意力集中在选择合理的抗震结构体系和细部构造设计上面。另外，要保证延性结构在大震下以延性的形式反应，能够充分发挥延性构件的延性能力，就必须确保不发生脆性的破坏模式（如剪切破坏），以及防止脆性构件和不希望发生非弹性变形的构件发生破坏。要达到这一目的，就要采用能力设计方法进行延性抗震设计。
能力设计方法的基本原理为：通过对结构体系中延性破坏和脆性破坏发生次序先后进行分级，利用结构的延性抑制结构脆性破坏的发生。实现能力破坏的基本途径是保证结构塑性铰出现在预定位置和地震反复作用下不破坏，也就是在结构体系中的延性构件和能力保护构件（脆性构件以及不希望发生非弹性变形的构件，统称为能力保护构件）之间建立强度安全等级差异，以确保结构不会发生脆
性的破坏模式[9]。采用能力设计方法进行延性抗震设计的一般步骤如下图11所示。
图11 能力设计方法进行延性抗震设计的步骤
与常规的强度设计方法相比，采用能力设计方法设计的抗震结构具有明显的优势（对比如表2所示）。总的来说，能力设计方法是结构动力概念设计的一种体现，它的主要优点是设计人员可对结构在屈服时、屈服后的性状给予合理的控制，即结构屈服后的性能是按照设计人员的意图出现的，这是传统抗震设计方法所达不到的[1]。此外，根据能力设计方法设计的结构具有很好的韧性，能最大限度地避免结构倒塌，同时也降低了结构对许多不确定因素的敏感性。
表2 常规强度设计方法与能力设计方法对比
3.1.3 延性和能力保护构件选择
一般选择的延性构件是桥墩，而能力保护构件可以为横梁（梁盖）、基础、抗剪墩柱和支座。能力设计过程中选定结构中潜在塑性铰区的位置时，把塑性铰区截面的抗弯强度尽可能设计得与需求的强度接近。然后对塑性铰区进行仔细的构造设计，以确保塑性铰区截面能够提供设计预期的塑性转动能力。潜在的塑性铰位置选择原则是：既要使结构获得最优的耗能，又要在机构易于发现和易于修复的部位。常见的塑性铰位置如下图12所示。
（a）横桥向地震作用 （b）顺向桥地震作用
图12 潜在的塑性铰位置选择[1]
3.2 桥梁减隔震抗震设计
结构对地震的反应有两个基本规律：
1）地震动的频率成分非常复杂，但地震能量一般集中在一个频率范围内。当结构的自振周期和地震的卓越周期接近时，共振现象会使结构的地震反应放大，从而引起结构比较严重的破坏。
2）结构的阻尼越大，结构地震反应越小，因为阻尼使振动系统能量耗散了。 减隔震技术正是利用了结构地震反应的这两个基本规律。一方面，引入柔性装置来延长结构的基本周期，以避开地震能量集中的周期范围，从而降低结构的地震力。但是，通过延长结构周期来减小地震力，必然伴随着结构位移的增大，可能会造成结构设计上的困难。为了控制过大变形，可通过在结构中引入阻尼装置，以增加结构的阻尼来耗散输人的地震能量，从而减小结构的位移，附带还可以减小结构的动力加速度[10]。
图13 分层橡胶支座构造[1] 图14 流体粘滞阻尼器构造 此外，由于结构较柔，在正常使用荷载(如风荷载，车辆制动力等)作用下结构可能会发生过大变形，因此必须保证正常使用荷载所需要的刚度。减隔震技术的工作机理有三条：
1）采用柔性支承延长结构周期，减小结构地震反应；
2）采用阻尼器式能量耗散元件，限制结构位移；
3）保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度[11]。
常用的减隔震装置有整体型减隔震装置（分层橡胶支座（构造如图13所示）、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、滑动摩擦型减隔震支座等）和分离型减隔震装置（橡胶支座+钢阻尼器、橡胶支座+流体黏滞阻尼器（图14所示）等），其中粘滞阻尼器安装如图15所示。
（a）梁墩之间的阻尼器 （b）梁与梁之间的阻尼器
图15 粘滞阻尼器安装示意图[6]
3.3减隔震技术与延性抗震设计的比较
从抗震原理上看，减隔震技术与延性抗震设计类似。两者都是通过延长周期以避开地震能量集中的周期范围，并且增大阻尼以耗散能量来达到减小地震反应的目的。但在具体实施方法上，却有很大的不同，主要表现在以下两个方面[9]：
1）延性抗震设计允许很大的地震能量从地面传递到结构的重要构件上，设计考虑的是如何为结构提供抵抗地震的能力；减隔震技术的基本目的是要大大减
小传递到结构重要构件上的地震能量，且将这一地震能量转移到减隔震装置上；
2）延性抗震设计要求选定结构构件的特定部位（如梁桥桥墩墩底）屈服，并形成塑性铰以降低刚度延长周期，同时利用塑性铰的滞回特性提供耗能能力（相当于增大阻尼）。因此，结构构件的损伤是不可避免的，震后的修复工作比较麻烦。而减隔震技术通过设置减隔震装置来延长周期，并增大阻尼以耗散能量。因此，可以避免结构构件的损伤，而减隔震装置发生损伤时，替换比较简单。 4 风对桥梁的作用及风致振动
4.1 风对桥梁作用的现象及作用机制
风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象，它受到风的自然特性、结构动力性能以及风与结构的相互作用三方面的制约。由于地表的起伏和各种建筑物的影响，使得近地风的风速和风向及其空间分布都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。当这种带有脉动成份的风绕过非流线形截面的桥梁结构时，就会产生旋涡和流动分离，形成复杂的空气作用力。这种作用力可能引起桥梁的振动，而桥梁结构的振动又将引起流场的改变，这种相互作用的机制使得问题更加复杂[12]。
从工程抗风设计角度，可以把自然风分解成不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风两部分的叠加，分别考虑它们对桥梁的作用，即静力作用和动力作用两种作用的现象和机制，见下表3所示。
表3 风对桥梁的静力作用和动力作用机制[14]
4.1.1 静力作用
如结构刚度较大因而几乎不振动，或结构虽有轻微振动， 但不显著影响气流经过桥梁的绕流形态，因而不影响气流对桥梁的作用力，则风对桥梁的作用可近似地看作为一种静力荷载。桥梁在风的静力作用下有可能发生强度、刚度和稳定性问题。对于强度和刚度问题， 如现行桥规中所规定的那样， 主要需考虑桥梁在侧向风载作用下的应力和变形。另外， 对于静升力较大的情况, 也需要考虑竖向升力对结构的作用川。对于柔性较大的特大跨度桥梁. 则还需要考虑侧向风荷载作用下王梁整体的横向屈曲， 其发生机制类似于桥梁的侧向整体失稳问题以及在静力扭转力矩作用下主梁扭转引起的附加转角所产生的气动力距增量超过结构抗力矩时出现的扭转失稳问题。
4.1.2 动力作用
大跨度桥梁, 尤其是对风较为敏感的大跨度悬索桥和斜拉桥。除需考虑上述静风荷载的作用外，更主要的需考虑风对结构的动力作用。如下面4.2部分所述。
4.2 风致振动 桥梁结构风致振动可分为两大类：一类为发散性振动，包括经典藕合颤振、分离扭转振动和驰振； 另一类为限幅振动，包括涡激振和抖振两种[13]。简单分述如下：
1）在一定临界风速下结构振动振幅急聚增大因而结构所承受的荷载效应急聚增大而会导致结构毁坏的发散振动，如颤振和驰振；
2）振幅有限但因经常出现而可能导致结构疲劳损伤或影响结构的正常使用，以及引起过桥者不适或不安的限幅振动，如涡激振和抖振。
4.2.1 颤振
当结构发生振动时，由于周围的绕流受结构变位的干扰而发生变化，导致作用在结构上的空气力也随时间发生变化。这种作用力是伴随结构振动产生的。
颤振可分为两大类：一是扭转颤振，美国塔科马悬索桥即是因其主梁为流线性较差的钝体而发生这类发散振动而毁坏的；二是弯扭藕合颤振，常见于流线性较好扁平截面梁情况。桥梁发生何种颤振与主梁截面的气动外形有着密切关系。且通常来讲.主梁截面的流线性越好，气动稳定性越好。因此，在大跨度桥梁的
初步设计阶段，有必要对主梁截面进行比选或通过风洞试验对基本截面进行优化以保证结构的抗风安全性。值得指出的是，同一主梁截面在施工状态和成桥状态 在来流的不同情况下所发生的颤振形态也有所不同。
对于扁平截面箱梁，施工阶段在水平来流条件下绕流较为平顺，通常发生的是弯扭藕合颤振。但在成桥状态安装了栏杆和隔离防栏后，则可能发生扭转颤振。同样，当来流具有一定夹角，截面在垂直于风向平面内的投影面积增大，因而使主梁钝化，也有可能发生扭转颤振[12]。扭转颤振则主要与桥梁的最低阶扭转频率有关，临界风速与之成正比关系。总之，桥梁的抗扭刚度对于保证桥梁的抗风稳定性具有重要意义。
4.2.2 驰振
驰振是具有特殊横截面形状的细长结构物发生的典型的不稳定性。根据来 流的不同，驰振又分为横流驰振和尾流驰振。横流驰振是由升力曲线（或升力矩曲线）的负斜率所引起的发散性弯曲自激振动。而尾流驰振则由绕过前方结构的波动性来流激发下游结构物产生的振动[14]。驰振现象具有以下3个特点：
1）截面形状为矩形、“D”字形，或裹冰输电线的有效截面形状。
2）垂直气流方向的大幅度振荡（1-10倍以上横风向截面尺寸）。
3）振动频率远低于该截面的旋涡脱落频率。
经验表明，在静态条件下所得到的横截面的平均升力系数与阻力系数随迎角的变化，且驰振基本上由准定常力控制。
4.2.3 涡激振动
气流绕过物体时，在物体两侧会形成不对称脱落的旋涡，从而形成交替作用在物体上的横风向的涡激力或力矩，结构在这种类似简谐力的作用下，就会发生横风向的或扭转的涡激振动。涡激振动是一种简谐振动，其振动形式通常表现为横风向振动或扭转振动。涡激振动常发生在较低风速下，出现频度较高，易使结构构件产生疲劳破坏、人感不适、危及行车安全。大跨度系杆拱桥的吊杆、斜拉桥的斜拉索、悬索桥和斜拉桥在施工阶段的独塔等也易于发生涡激振动。
涡激振动是一种限幅振动，对结构的质量和阻尼较为敏感，当结构质量和阻尼均较小时，涡激共振振幅可能很大。结构振幅较大时，结构的运动对气体的绕流形态产生反馈作用，使旋涡脱落频率在一定风速范围内和结构固有振动频率相等，即涡激共振的“锁定”现象。锁定现象增加了结构发生涡振的机率，增强了三维结构上的涡激力的相关性。
结构的截面尺寸已定的条件下，涡激振动制振措施主要有：
1）提高阻尼：主要有调质阻尼器（TMD）和调液阻尼器（TLD）缩短风速锁定区，明显降低涡激振动振幅，可以有效地抑制涡激振动；
2）空气动力措施：主要有平板隔流、增设导流板、调整检修轨道等；
4.2.4 抖振
抖振又称为阵风响应，是由风中紊流成份（脉动风）诱发桥梁产生的一种强迫振动。抖振是一种限幅振动，不会引起结构灾难性的破坏，但其发生频度较高，持久的振动会引起构件疲劳，过大的振幅或加速度可能导致行人不舒适，危及高速行车安全，甚至使构件发生强度破坏。上述紊流包括自然大气中的紊流、结构物自身引起的特征紊流以及以由相邻结构物尾流产生的紊流，通常所说的抖振是指由自然大气中的紊流引起的。随着桥梁跨度的增大，结构的柔性增加，抖振也会相应增大；且随着风速的增大，抖振响应（振幅及结构内力）会成倍增大[15]。因此，对于设计风速较高或跨度较大的各式桥梁， 尤其对大跨度斜拉桥和悬索桥，抗风设计中必须对抖振响应进行检算。
抖振抑制措施主要有以下3个方面：
1）空气动力学措施：在颤振的气动选型基础上进行抖振选型。
2）机械阻尼措施：采用调谐质量阻尼器（TMD）.
3）施工措施：采用加大结构刚度的临时设施如临时支撑、抗风索或设置调质阻尼器。
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浙江工业大学
《桥梁抗风与抗震》
课程综述报告
姓 名： 王 昭
学 号：导 师： 袁伟斌
日 期： 2015.01.09
目 录
1 桥梁的震害及破坏机理 ................................................................ 3
1.1 桥梁震害 .............................................................................. 3
1.2 破坏机理分析 ....................................................................... 6
1.3 抗震设计及加固技术措施 ................................................... 7
2 桥梁抗震分析理论 ........................................................................ 9
2.1 抗震设计流程 ....................................................................... 9
2.2 抗震设计基本原理 ............................................................. 10
3延性抗震和减隔震抗震设计 ....................................................... 12
3.1桥梁延性抗震设计 .............................................................. 12
3.2 桥梁减隔震抗震设计 ......................................................... 15
3.3减隔震技术与延性抗震设计的比较 ................................... 16
4 风对桥梁的作用及风致振动 .................................................... 17
4.1 风对桥梁作用的现象及作用机制 ...................................... 17
4.2 风致振动 ............................................................................ 18
参考文献 ......................................................................................... 21
桥梁抗风与抗震课程综述报告
1 桥梁的震害及破坏机理
1.1桥梁震害
地震是地球内部某部分急剧运动而发生的传播振动的现象，是迄今人类力量无法控制的自然灾害。地球上平均每年都要发生近千次的破坏性地震，其中破坏力巨大的灾难性大地震即达十几次，这些地震在它们波及的范围内，均造成惨重的生命财产损失。桥梁作为重要的社会基础设施，是生命线工程中的关键部分，在地震发生后的紧急救援和抗震救灾、灾后恢复重建中具有极其重要的地位。强烈地震可能导致桥梁受到严重损伤或倒塌，造成交通中断，使抗震救灾工作受阻，以致造成生命和财产的更大损失，使震害程度扩大。因此对桥梁震害及其机理的清晰认识，对于桥梁的设计、采取合理有效的抗震对策，保证桥梁在地震中的安全和正常使用具有重要意义。
桥梁结构受到的地震影响从结构抗震设计的角度讲主要有两种形式：即地基失效引起的破坏和结构强烈振动引起的破坏。两者破坏的原因不同：前者属于静力作用，是由于地基失效产生的相对位移引起的结构破坏；后者属于动力作用，是由于振动产生的惯性力引起的破坏。根据以往的震害情况分析，桥梁震害主要分为上部结构震害、支座震害、下部结构震害和基础震害[1]。
1.1.1 上部结构震害
由于受到桥梁墩台、支座的隔离作用，在地震中，桥梁上部结构因直接受惯性力作用而破坏的情况较少在发现的少数此类震害中，主要是钢结构的局部屈曲破坏，如图1（a）。但因支承连接件失效或下部结构失效等引起的落梁、主梁的移动、扭曲、裂缝等现象，在破坏性地震中常有发生，其中落梁现象最为严重。从梁体下落的形式看，有顺桥向的、也有横桥向的和扭转滑移的，其中顺桥向的落梁最为常见，如图1（b）所示。
如果相邻结构的间距过小，在地震中就有可能发生碰撞，产生很大的撞击力，从而使结构受到破坏。此类破坏中比较典型的有相邻跨上部结构的碰撞、上部结构与桥台的碰撞以及相邻桥梁间的碰撞[2]，如图1（c）、（d）、（e）所示。
（a）钢结构局部屈曲 （b）顺桥向落梁破坏 （c）相邻跨碰撞
（d）上部结构与桥台的碰撞 （e）相邻桥梁间的碰撞
图 1 上部结构震害
1.1.2 支座的震害
桥梁支座是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的环节。上部结构的地震惯性力通过支座传到下部结构，当传递荷载超过支座设计强度时，支座发生损坏。常见的有支座移位、支座锚固螺栓拔出剪断、支座脱落和支座自身破坏等形式，如图2所示[1]。
（a）支座位移 （b）支座辊轴拔出 （c）支座自身破坏
图2 支座震害
支座损坏引起桥梁传力路径改变甚至中断，严重的会引起落梁。支座损坏也
是落梁的主要原因。但对于下部结构而言，支座损伤可以阻断上部结构的地震荷载传到桥墩，在一定程度上减小桥梁下部结构的损坏。
1.1.3 下部结构的震害
下部结构的严重破坏是引起桥梁倒塌、震后难以修复的主要原因。
地震引起的下部结构破坏主要是桥墩的破坏，一般是从接缝处的轻微断裂开始，继而扩展到四周而造成破坏；素混凝土也会因施工缝而产生断裂。高柔的桥墩多为弯曲型延性破坏，多表现为开裂、混凝土剥落压溃、钢筋裸露和弯曲等，并会产生很大的塑性变形[4]，如图3（a）所示。粗矮的桥墩多为剪切型脆性破坏，如图3（b）所示。此外配筋设计不当还会引起盖梁和桥墩节点部位的破坏。桥梁下部结构和基础的严重损坏，极易造成桥梁倒塌且在震后较上部结构破坏更难以修复使用。
除了上述桥墩的破坏，桥梁桥台的破坏也很常见，如图3（c）所示，除了地基丧失承载力引起的桥台滑移外，桥台的震害主要表现为台身与上部结构的碰撞以及桥台的向后倾斜。一般墩柱基脚的破坏很少见，如图3（d）所示，但是一旦发生，后果很严重。
（a）桥墩弯曲型延性破坏 （b）桥墩剪切型脆性破坏 （c）桥台震害 （d）基脚破坏
图3 下部结构震害
1.1.4 基础的震害
基础在地震中也易发生破坏，且这类震坏由于发生在地表以下，难以及时准确地判断震害严重程度，具有很大的隐蔽性。
地基失效（如土体滑移和砂土液化）是桥梁基础产生震害的主要原因。因为地震会引起地基的液化，使承载力下降与基础下沉，进一步引起桥梁墩台的沉陷，多出现在承载力不很高的砂质粘土、粘土质砂土等地基中。地基的液化使其剪切强度大大降低，使桥梁基础及桥台受静土压力和地震土压力的作用而沿液化层水平滑移或转动[2]。
1.2 破坏机理分析
1.2.1 落梁与碰撞破坏
落梁是发生最为频繁的事故现象，而产生落梁现象的最主要原因就在于：桥梁墩柱与梁体连接部位的构造设计不够合理[3]。当墩梁间的相对位移大于主梁搁置长度后，主梁将从桥墩脱落从而导致落梁。而当梁体之间、相邻桥之间的预留间距过小，在地震作用下梁体发生顺桥向或者横桥向的较大位移时可能会发生破坏[]。具体破坏过程如下图4所示。
图4 桥梁落梁与碰撞破坏过程分析
1.2.2 桥墩台的破坏
桥墩台的破坏常见的原因有：
1）设计抗弯强度不足
由于以往对桥墩地震破坏的认识不足，纵向钢筋往往在墩底搭接或焊接，桥墩的主筋通常未达到设计强度就因焊接强度不够或搭接失效而弯曲破坏。
另一种
情况是设计地震力取值偏低造成的。由于设计地震力取值偏低，当与其它静力荷载效应组合时，计算弯矩图数值偏低，而且形状也不对，据此确定的桥墩反弯点位置偏差也很大，使所配纵向钢筋在桥墩中过早切断，造成桥墩在中间位置发生弯剪破坏。
2）设计抗剪强度不足
以往设计的桥墩，其横向钢筋直径通常较小，间距也往往在 30-50cm 之间，显然不足于抵抗强烈地震动引起的横向剪力作用。
3）构造缺陷
例如，横向箍筋直径偏小，间距过大，不能约束砼和防止纵筋屈曲；纵筋的墩底焊接强度不够或搭接失效、在桥墩中的过早切断；纵横筋的锚固长度不足；箍筋端部未做成弯钩等[5]。
1.2.3 基础的破坏
虽然基础破坏在桥梁震害中不是很常见，一般因为强度不足或构造不合理破坏居多。例如，对于桩基而言，破坏通常是由于桩基自身设计强度不足或构造处理不当引起的，由于其具有隐蔽性，震后不易发现且修复的困难，所以在设计和施工时应保证桩基具有足够的强度，采用能力保护设计，同时重视构造设计，加强桩顶与承台连接构造措施，延长桩基深入稳定土层的长度等。
另外，在设计选址与设计阶段，桥位应选择在对抗震有利的地段，尽可能避免选择在软弱粘性土层、可液化土层和地层严重不均匀的地段，特别是发震断层地段。如必须设置在可液化或松软土层的河岸地段时，桥长应适当增长，将桥台置于稳定的河岸上，而桥墩基础要加强[2]。
1.3抗震设计及加固技术措施
目前，抗震加固的技术措施也在工程中有具体应用。加固计划分为三个阶段进行，第一个阶段的主要的目的是加强上部结构和下部结构的联系，后两个阶段是同时进行的，其目的是提高墩柱的抗弯强度、抗剪强度及延性、提高盖梁、上部结构、基础与桥台的承载能力，提高节点的抗剪强度。
根据震害调查结果，桥梁结构抗震加固的部位有：上部结构、桥墩加固、盖梁加固、基础加固和桥台加固。上部结构的加固包括支座、伸缩缝处的防落梁措施，采用的方法是增设限位器(如图5所示)、增设挡块、增加支承面宽度、设置Lock-up Device 装置等[6]。
（a）钢绞线纵向限位 （b）钢绞线纵向和竖向限位
图5 采用限位器防落梁措施
桥墩的加固主要方式有钢套管(如图6(a)所示)、预应力钢绞线、增加截面和纤维增强复合材料(如图6(b)所示)，其中钢套管和纤维增强复合材料的加固方式应用较多，纤维增强复合材料有碳纤维、玻璃纤维等，用纤维增强复合材料约束混凝土时可采用单一纤维，也可以采用碳纤维与玻璃纤维混杂的方式；盖梁的加固可以采用增设预应力钢筋混凝土加强块的方式实现，如图7所示。
(a)刚套管加固 （b）纤维材料加固
图6 桥墩抗震加固措施
图7 盖梁内设置体内预应力筋加固方式
另外，基础的加固可以通过增设斜撑杆和增加基础高度的方式；增加沉降板和锚杆可以减少桥台的沉降和水平移动[6]。
2 桥梁抗震分析理论
2.1 抗震设计流程
桥梁工程的抗震设计流程如下图8所示，包括7个主要步骤，即抗震概念设计、确定设防标准、确定场地类别、选择桥梁抗震体系（延性设计或减隔震设计）、地震反应分析、抗震性能验算以及抗震构造与措施选择。抗震设防是指对结构进行抗震设计并采取抗震措施，其指导思想是预防为主；减轻结构震害，避免人员伤亡，减少经济损失，使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行。抗震设计以抗震设防烈度为设防依据，规定设防范围为6 度及以上地震区。桥梁抗震设计思想目前普遍趋向于采用多级设防的抗震设计思想即采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三级设防[1]。
图8 桥梁工程抗震设计流程[1]
基于合理安全度原则，确定桥梁工程的抗震设防标准时，应考虑三方面因素：
1）根据桥梁的重要性程度确定该结构的设计基准期；
2）地震破坏后，桥梁结构功能丧失可能引起次生灾害的损失；
3）建设单位所能承担抗震防灾的最大经济能力。
2.2 抗震设计基本原理
桥梁结构地震分析方法也随着地震灾害的不断发生经历了从静力法到动力法(包括反应谱方法和时程分析方法)的演变过程。目前桥梁抗震设计规范中采用确定性分析方法，主要有静力法、反应谱法、动态时程分析法和Push-over 拟静力分析法，其中前两种方法是主要的分析方法，时程分析法是一种辅助校核方法，而非线性静力分析法则用于确定桥梁结构的破坏机制和抗震能力的评估[6]。
2.2.1 静力理论方法
抗震设计的静力法假设结构各个部分与地震动具有相同的振动，因此，结构因地震作用引起的惯性力——地震力就等于地面运动加速度与结构总质量的乘积，再把地震力视为静力作用在结构上，进行结构线弹性静力分析计算[7]。静力法以地震荷载代替结构在地震强迫振动下的激励外因，把地震加速度看作是结构地震破坏的单一因素有极大的局限性，因为它忽略了结构动力特性这一重要因素。只有当结构物的基本周期比地面运动卓越周期小很多时，结构物在地震振动时才可能几乎不产生变形而被当作刚体，静力法才能成立，它大多用在桥台和挡土结构的抗震设计中。
Push-over 法(又称为拟静力法)是一种非线性静力分析方法，在近年里得到很大的发展和应用。它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，它研究结构在地震作用下进入塑性状态时的非线性性能。采用对结构施加呈一定分布的单调递增水平力的加载方式，按预先确定的水平荷载加载方式将结构“推”至一个给定的目标位移，来分析其进入非线性状态的反应，从而得到结构及构件的变形能力是否满足设计及使用功能的要求[8]。其计算分析步骤如下图9所示。
图9 非线形Push-ove方法分析过程
2.2.2反应谱理论方法
反应谱法是根据结构弹性反应分析结果建立的, 反映了震源特性、场地类别, 各国家规范以不同的方式考虑了桥梁结构弹塑性和结构抗震设防类别的影响。
反应谱理论是建立在以下假定之上的：第一，结构物的地震响应是线性的；第二，结构各支点所受的激励相同，即一致激励假定；第三，结构物的最不利地震响应为其最大地震响应，而与其他动力响应参数无关。反应谱方法的优点是：概念简单，计算方便，可以用较少的计算量获得结构最大反应值。其缺点主要是原则上只适用于线弹性结构体系的抗震。
2.2.3动态时程分析方法
动态时程分析方法，是将地震动记录或人工波作用在结构上，直接对结构运动方程进行逐步积分，求得结构任意时刻地震反应的分析方法，所以动态时程分析方法也称为直接积分法。时程分析可得到结构在地震动作用下的响应时程，详细了解结构在整个地震持时内的结构响应，可同时反映出地震动的三要素，即：振幅、频谱、持续时间对结构响应的影响，利用结构的动力特性和所施加的动荷载求出任时刻结构的响应(位移、内力等)，是目前桥梁地震响应分析的有力工具。
根据分析是否考虑结构的非弹性行为，动态时程分析法又可分为弹性动力时程分析和非线性（弹塑性）动力时程分析两种，该方法是随着计算机技术和有限元方法的发展而产生的，它将结构物离散为多节点、多自由度的有限元动力计算模式，把地震强迫振动的地震加速度时程直接输入，对结构物进行地震反应时程分析，不管是弹性动力时程分析还是非线性（弹塑性）动力时程分析，都需要借助计算机程序完成。
时程分析法可以较好地考虑结构、土和深基础的相互作用，以及地震波相位差和不同地震波多分量多点输入等因素。同时，也可以考虑结构的几何和材料非线性 影响以及各种减震、隔震装置的非线性性质。该方法还可以使桥梁的抗震设计从单一的强度保证转入强度、变形（延性）的双重保证，同时使我们更清楚结构地震动力破坏的机理和正确提高桥梁抗震能力的途径[1]。
除上述三种主要的分析方法外，虚拟激励法是近几年发展起来的一种新的方法，并已经构成了一个比较完善的系统。虚拟激励法将平稳随机响应分析转化成为简谐响应分析，将非平稳随机响应分析转化为确定性时间历程分析，从而采用确定性分析方法实现随机振动的求解[6]。
以上所述三种主要分析方法之间的比较如表1所示。
表1 地震反应三种分析方法的比较[7]
(注:表中“需求”指地震动对结构的最大作用效应，“能力”指结构的抗力和变形能力。）
3延性抗震和减隔震抗震设计
3.1桥梁延性抗震设计
3.1.1 延性设计的基本思想
延性设计的基本思想是：通过延性设计，使结构具有能够适应大地震激起的反复的弹塑性变形循环的滞回延性，则结构在遭遇设计预期的大地震时，尽管可能严重损坏，但结构抗震设防的最低目标——免于倒塌破坏却始终能得到保证。延性抗震理论不同于强度理论的是，它是通过结构选定部位的塑性变形（形成塑性铰）来抵抗地震作用的。利用选定部位的塑性变形，不仅能消耗地震能量，还能延长结构周期，从而减小地震反应。从延性的本质来看，它反映了一种非弹性
变形的能力，即结构从屈服到破坏的后期变形能力，这种能力能保证强度不会因为发生非弹性变形而急剧下降。
从能量观点看，结构延性抗震设计的基本原理，即允许结构部分构件在预期的地震动下发生反复的弹塑性变形循环，这些构件被设计成具有较好的滞回延性（结构在反复荷载作用下的延性），通过这些构件在地震动下实际发生的反复的弹塑性变形循环，耗散掉大量的地震输入能量，从而保证了结构的抗震安全。滞回耗能与弹性应变能如下图10所示。
图10 滞回耗能与弹性应变能示意图
采用延性概念来设计抗震结构，要求结构在预期的设计地震作用下必须具有一定可靠度保证的延性储备。也就是说，必须在概率意义上保证结构具有的延性超过预期地震动所能激起的最大非弹性变形（延性需求）。尽管延性抗震概念在经济上有很大的优越之处，但这些优势总是以结构出现一定程度的损坏为代价。
3.1.2延性设计中的能力设计方法
由于无法可靠地预测未来发生的地震地面运动，应该把注意力集中在选择合理的抗震结构体系和细部构造设计上面。另外，要保证延性结构在大震下以延性的形式反应，能够充分发挥延性构件的延性能力，就必须确保不发生脆性的破坏模式（如剪切破坏），以及防止脆性构件和不希望发生非弹性变形的构件发生破坏。要达到这一目的，就要采用能力设计方法进行延性抗震设计。
能力设计方法的基本原理为：通过对结构体系中延性破坏和脆性破坏发生次序先后进行分级，利用结构的延性抑制结构脆性破坏的发生。实现能力破坏的基本途径是保证结构塑性铰出现在预定位置和地震反复作用下不破坏，也就是在结构体系中的延性构件和能力保护构件（脆性构件以及不希望发生非弹性变形的构件，统称为能力保护构件）之间建立强度安全等级差异，以确保结构不会发生脆
性的破坏模式[9]。采用能力设计方法进行延性抗震设计的一般步骤如下图11所示。
图11 能力设计方法进行延性抗震设计的步骤
与常规的强度设计方法相比，采用能力设计方法设计的抗震结构具有明显的优势（对比如表2所示）。总的来说，能力设计方法是结构动力概念设计的一种体现，它的主要优点是设计人员可对结构在屈服时、屈服后的性状给予合理的控制，即结构屈服后的性能是按照设计人员的意图出现的，这是传统抗震设计方法所达不到的[1]。此外，根据能力设计方法设计的结构具有很好的韧性，能最大限度地避免结构倒塌，同时也降低了结构对许多不确定因素的敏感性。
表2 常规强度设计方法与能力设计方法对比
3.1.3 延性和能力保护构件选择
一般选择的延性构件是桥墩，而能力保护构件可以为横梁（梁盖）、基础、抗剪墩柱和支座。能力设计过程中选定结构中潜在塑性铰区的位置时，把塑性铰区截面的抗弯强度尽可能设计得与需求的强度接近。然后对塑性铰区进行仔细的构造设计，以确保塑性铰区截面能够提供设计预期的塑性转动能力。潜在的塑性铰位置选择原则是：既要使结构获得最优的耗能，又要在机构易于发现和易于修复的部位。常见的塑性铰位置如下图12所示。
（a）横桥向地震作用 （b）顺向桥地震作用
图12 潜在的塑性铰位置选择[1]
3.2 桥梁减隔震抗震设计
结构对地震的反应有两个基本规律：
1）地震动的频率成分非常复杂，但地震能量一般集中在一个频率范围内。当结构的自振周期和地震的卓越周期接近时，共振现象会使结构的地震反应放大，从而引起结构比较严重的破坏。
2）结构的阻尼越大，结构地震反应越小，因为阻尼使振动系统能量耗散了。 减隔震技术正是利用了结构地震反应的这两个基本规律。一方面，引入柔性装置来延长结构的基本周期，以避开地震能量集中的周期范围，从而降低结构的地震力。但是，通过延长结构周期来减小地震力，必然伴随着结构位移的增大，可能会造成结构设计上的困难。为了控制过大变形，可通过在结构中引入阻尼装置，以增加结构的阻尼来耗散输人的地震能量，从而减小结构的位移，附带还可以减小结构的动力加速度[10]。
图13 分层橡胶支座构造[1] 图14 流体粘滞阻尼器构造 此外，由于结构较柔，在正常使用荷载(如风荷载，车辆制动力等)作用下结构可能会发生过大变形，因此必须保证正常使用荷载所需要的刚度。减隔震技术的工作机理有三条：
1）采用柔性支承延长结构周期，减小结构地震反应；
2）采用阻尼器式能量耗散元件，限制结构位移；
3）保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度[11]。
常用的减隔震装置有整体型减隔震装置（分层橡胶支座（构造如图13所示）、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、滑动摩擦型减隔震支座等）和分离型减隔震装置（橡胶支座+钢阻尼器、橡胶支座+流体黏滞阻尼器（图14所示）等），其中粘滞阻尼器安装如图15所示。
（a）梁墩之间的阻尼器 （b）梁与梁之间的阻尼器
图15 粘滞阻尼器安装示意图[6]
3.3减隔震技术与延性抗震设计的比较
从抗震原理上看，减隔震技术与延性抗震设计类似。两者都是通过延长周期以避开地震能量集中的周期范围，并且增大阻尼以耗散能量来达到减小地震反应的目的。但在具体实施方法上，却有很大的不同，主要表现在以下两个方面[9]：
1）延性抗震设计允许很大的地震能量从地面传递到结构的重要构件上，设计考虑的是如何为结构提供抵抗地震的能力；减隔震技术的基本目的是要大大减
小传递到结构重要构件上的地震能量，且将这一地震能量转移到减隔震装置上；
2）延性抗震设计要求选定结构构件的特定部位（如梁桥桥墩墩底）屈服，并形成塑性铰以降低刚度延长周期，同时利用塑性铰的滞回特性提供耗能能力（相当于增大阻尼）。因此，结构构件的损伤是不可避免的，震后的修复工作比较麻烦。而减隔震技术通过设置减隔震装置来延长周期，并增大阻尼以耗散能量。因此，可以避免结构构件的损伤，而减隔震装置发生损伤时，替换比较简单。 4 风对桥梁的作用及风致振动
4.1 风对桥梁作用的现象及作用机制
风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象，它受到风的自然特性、结构动力性能以及风与结构的相互作用三方面的制约。由于地表的起伏和各种建筑物的影响，使得近地风的风速和风向及其空间分布都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。当这种带有脉动成份的风绕过非流线形截面的桥梁结构时，就会产生旋涡和流动分离，形成复杂的空气作用力。这种作用力可能引起桥梁的振动，而桥梁结构的振动又将引起流场的改变，这种相互作用的机制使得问题更加复杂[12]。
从工程抗风设计角度，可以把自然风分解成不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风两部分的叠加，分别考虑它们对桥梁的作用，即静力作用和动力作用两种作用的现象和机制，见下表3所示。
表3 风对桥梁的静力作用和动力作用机制[14]
4.1.1 静力作用
如结构刚度较大因而几乎不振动，或结构虽有轻微振动， 但不显著影响气流经过桥梁的绕流形态，因而不影响气流对桥梁的作用力，则风对桥梁的作用可近似地看作为一种静力荷载。桥梁在风的静力作用下有可能发生强度、刚度和稳定性问题。对于强度和刚度问题， 如现行桥规中所规定的那样， 主要需考虑桥梁在侧向风载作用下的应力和变形。另外， 对于静升力较大的情况, 也需要考虑竖向升力对结构的作用川。对于柔性较大的特大跨度桥梁. 则还需要考虑侧向风荷载作用下王梁整体的横向屈曲， 其发生机制类似于桥梁的侧向整体失稳问题以及在静力扭转力矩作用下主梁扭转引起的附加转角所产生的气动力距增量超过结构抗力矩时出现的扭转失稳问题。
4.1.2 动力作用
大跨度桥梁, 尤其是对风较为敏感的大跨度悬索桥和斜拉桥。除需考虑上述静风荷载的作用外，更主要的需考虑风对结构的动力作用。如下面4.2部分所述。
4.2 风致振动 桥梁结构风致振动可分为两大类：一类为发散性振动，包括经典藕合颤振、分离扭转振动和驰振； 另一类为限幅振动，包括涡激振和抖振两种[13]。简单分述如下：
1）在一定临界风速下结构振动振幅急聚增大因而结构所承受的荷载效应急聚增大而会导致结构毁坏的发散振动，如颤振和驰振；
2）振幅有限但因经常出现而可能导致结构疲劳损伤或影响结构的正常使用，以及引起过桥者不适或不安的限幅振动，如涡激振和抖振。
4.2.1 颤振
当结构发生振动时，由于周围的绕流受结构变位的干扰而发生变化，导致作用在结构上的空气力也随时间发生变化。这种作用力是伴随结构振动产生的。
颤振可分为两大类：一是扭转颤振，美国塔科马悬索桥即是因其主梁为流线性较差的钝体而发生这类发散振动而毁坏的；二是弯扭藕合颤振，常见于流线性较好扁平截面梁情况。桥梁发生何种颤振与主梁截面的气动外形有着密切关系。且通常来讲.主梁截面的流线性越好，气动稳定性越好。因此，在大跨度桥梁的
初步设计阶段，有必要对主梁截面进行比选或通过风洞试验对基本截面进行优化以保证结构的抗风安全性。值得指出的是，同一主梁截面在施工状态和成桥状态 在来流的不同情况下所发生的颤振形态也有所不同。
对于扁平截面箱梁，施工阶段在水平来流条件下绕流较为平顺，通常发生的是弯扭藕合颤振。但在成桥状态安装了栏杆和隔离防栏后，则可能发生扭转颤振。同样，当来流具有一定夹角，截面在垂直于风向平面内的投影面积增大，因而使主梁钝化，也有可能发生扭转颤振[12]。扭转颤振则主要与桥梁的最低阶扭转频率有关，临界风速与之成正比关系。总之，桥梁的抗扭刚度对于保证桥梁的抗风稳定性具有重要意义。
4.2.2 驰振
驰振是具有特殊横截面形状的细长结构物发生的典型的不稳定性。根据来 流的不同，驰振又分为横流驰振和尾流驰振。横流驰振是由升力曲线（或升力矩曲线）的负斜率所引起的发散性弯曲自激振动。而尾流驰振则由绕过前方结构的波动性来流激发下游结构物产生的振动[14]。驰振现象具有以下3个特点：
1）截面形状为矩形、“D”字形，或裹冰输电线的有效截面形状。
2）垂直气流方向的大幅度振荡（1-10倍以上横风向截面尺寸）。
3）振动频率远低于该截面的旋涡脱落频率。
经验表明，在静态条件下所得到的横截面的平均升力系数与阻力系数随迎角的变化，且驰振基本上由准定常力控制。
4.2.3 涡激振动
气流绕过物体时，在物体两侧会形成不对称脱落的旋涡，从而形成交替作用在物体上的横风向的涡激力或力矩，结构在这种类似简谐力的作用下，就会发生横风向的或扭转的涡激振动。涡激振动是一种简谐振动，其振动形式通常表现为横风向振动或扭转振动。涡激振动常发生在较低风速下，出现频度较高，易使结构构件产生疲劳破坏、人感不适、危及行车安全。大跨度系杆拱桥的吊杆、斜拉桥的斜拉索、悬索桥和斜拉桥在施工阶段的独塔等也易于发生涡激振动。
涡激振动是一种限幅振动，对结构的质量和阻尼较为敏感，当结构质量和阻尼均较小时，涡激共振振幅可能很大。结构振幅较大时，结构的运动对气体的绕流形态产生反馈作用，使旋涡脱落频率在一定风速范围内和结构固有振动频率相等，即涡激共振的“锁定”现象。锁定现象增加了结构发生涡振的机率，增强了三维结构上的涡激力的相关性。
结构的截面尺寸已定的条件下，涡激振动制振措施主要有：
1）提高阻尼：主要有调质阻尼器（TMD）和调液阻尼器（TLD）缩短风速锁定区，明显降低涡激振动振幅，可以有效地抑制涡激振动；
2）空气动力措施：主要有平板隔流、增设导流板、调整检修轨道等；
4.2.4 抖振
抖振又称为阵风响应，是由风中紊流成份（脉动风）诱发桥梁产生的一种强迫振动。抖振是一种限幅振动，不会引起结构灾难性的破坏，但其发生频度较高，持久的振动会引起构件疲劳，过大的振幅或加速度可能导致行人不舒适，危及高速行车安全，甚至使构件发生强度破坏。上述紊流包括自然大气中的紊流、结构物自身引起的特征紊流以及以由相邻结构物尾流产生的紊流，通常所说的抖振是指由自然大气中的紊流引起的。随着桥梁跨度的增大，结构的柔性增加，抖振也会相应增大；且随着风速的增大，抖振响应（振幅及结构内力）会成倍增大[15]。因此，对于设计风速较高或跨度较大的各式桥梁， 尤其对大跨度斜拉桥和悬索桥，抗风设计中必须对抖振响应进行检算。
抖振抑制措施主要有以下3个方面：
1）空气动力学措施：在颤振的气动选型基础上进行抖振选型。
2）机械阻尼措施：采用调谐质量阻尼器（TMD）.
3）施工措施：采用加大结构刚度的临时设施如临时支撑、抗风索或设置调质阻尼器。
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