論提高橋梁的抗震性能的設計策略

摘要:本文分析了我國橋梁產生震災的主要原因，以及我國現階段在提高橋梁抗震設計中存在的種種問題，并以此針對如何提高橋梁的抗震性能設計的策略提出自己的見解。

關鍵詞:橋梁抗震;設計方法;地震災害:應用

我國是世界上的多地震國家之一， 近些年發生的幾次大地震使橋梁結構遭到嚴重破壞，但也使我們獲取了關于結構地震反應的極其寶貴的資料。因此橋梁結構的抗震設計一直受到社會重視。基于性能的抗震設計被各國廣泛討論，并被認為是將來抗震設計的主要發展方向。目的就是在未來的抗震設計中，希望在不同強度地震水平的作用下，能夠有效地控制橋梁的破壞和使用功能喪失的狀態，使結構實現明確的不同性能水平。

一、產生橋震災害的主要原因

當地震發生時，首先是場地和地基破壞，從而產生橋梁破損并引起其它災害。場地和地基的破壞作用，大致有地面破裂、滑坡和坍塌，地基失效等幾種類型。這種破壞作用，對位于斜坡地貌及軟弱土質地基上的橋梁工程影響較大。地震發生后，橋梁的破壞形式一般表現為:橋臺錐體、墩周鋪護開裂，甚至滑移;墩臺身位移，支座錨栓剪斷，嚴重時產生落梁現象;砂土液化，橋墩下沉;墩臺身開裂，嚴重時橋梁倒塌。

(一)支承連接件失效

由于上下部結構產生了支承連接件不能承受的相對位移，使支承連接件失效，上部與下部結構脫開，導致梁體墜毀。由于落梁的強烈沖擊力，下部結構將遭受嚴重破壞。支承連接件失效的原因，主要是設計低估了相鄰跨之間的相對位移。為了解決這個問題，目前國內外的通常做法是增加支承面寬度和在簡支的相鄰梁之間安裝縱向約束裝置。

(二)下部結構失效

主要是指橋墩和橋臺失效。橋墩和橋臺如果不能抵抗自身的慣性力和由支座傳遞來的上部結構的地震力，就會開裂甚至折斷，其支承的上部結構也將遭受嚴重的破壞。鋼筋混凝土柱式橋墩大量遭受嚴重損壞，是近期橋梁震害的一個特點其原因主要是橫向約束箍筋數量不足和間距過大，因而不足以約束混凝土和防止縱向受壓鋼筋屈曲。目前的解決辦法是通過能力設計和延性設計，使橋梁的屈服只發生在預期的塑性鉸部位，其余結構保持彈性。

(三)軟弱地基失效

如果下部結構周圍的地基易受地震震動而變弱，下部結構就可能發生沉降和水平移動。如砂土的液化和斷層等，在地震中都可能引起墩臺的毀壞。地基失效引起的橋梁結構破壞，有時是人力所不能避免的，因此在橋梁選址時就應該重視，并設法加以避免。如果無法避免時，則應考慮對地基進行處理或采用深基礎。

(四)軟弱的下部結構破壞

即由于橋梁下部結構不足以抵抗其自身的慣性力和支座傳遞的主梁的地震力，導致結構下部的開裂、變形和失效，甚至傾覆，并由此引起全橋的嚴重破壞。

二、橋梁抗震設計中存在的問題

(一)強度抗震設計單一

我國公路橋梁按現行規范進行抗震設計，只需進行設計地震力作用下的強度驗算，而近期的橋梁震害事實和當前的抗震設計理論，都反復闡明了單一的強度設防無法保證橋梁結構具有令人滿意的抗震性能。如在美國諾斯雷奇地震和日本阪神地震中，處于強震區的橋梁遭受到超過設計地震加速度3～4倍甚至更大的地面運動加速度，按早期規范規定僅進行強度抗震設計的橋梁，無法抵御如此巨大的地震力作用而均遭受嚴重破壞;相反的，處于同一地區、按新規范進行強度和

延性設計或者經過延性抗震加固的橋梁，則都表現出良好的抗震性能。因此，單一的強度設防原則是我國目前公路橋梁抗震設計中存在的最主要問題。

(二)細部構造設計的問題

細部構造設計對結構抗震性能的影響，早已為歷次地震實踐所證明。在地震區，橋墩中的橫向箍筋和縱向鋼筋的錨固應符合抗震規范要求。但目前我國仍有設計和施工單位為考慮施工方便，箍筋不按要求在端部彎成135°彎鉤并伸入混凝土核心，而是直接做成短的直角“L”形。此外，橋墩中的箍筋間距和體積配箍率也應達到一定要求，以滿足約束混凝土和防止縱筋屈曲要求。但國內外已有的大量實驗表明，現行規范規定的體積配箍率不足于滿足上述要求。特別值得注意的是，我國目前公路橋梁橋墩設計中采用的典型的體積配箍率，與日本阪神地震中嚴重破壞的橋墩的體積配箍率相差無幾。

綜上所述，不合理的抗震設計理論和不良的抗震設計是引起橋梁結構災難性破壞的根本原因，現行的我國公路橋梁抗震設計所依據的規范已無法滿足公路橋梁抗震設防的要求。

三、加強橋梁抗震的措施

在橋梁結構體系的選擇、橋型布置、路線走向以及橋梁結構細部設計中可以采取以下措施以達到結構防震、減少震害的效果:

對常規的簡支橋梁結構應加強橋面的連續構造，以及需提供足夠的加固寬度以防止主梁發生位移落梁，另外還應適當的加寬墩臺頂蓋梁及支座的寬度，并增設防止位移的隔擋裝置。

橋梁位置應選在良好和穩定的河段，如果必須在穩定性差的軟弱場地上河段通過時，應盡量采用橋梁中線與河流正交，這樣即使地震產生河岸滑移，影響也較小;若采用斜交，地震時極易產生河岸向河心滑移，會使橋梁隨之發生錯動或扭轉破壞。另外，應注意在主河槽與河灘分界的地形突變處，應盡量避免設墩，否則應加強措施以減免滑移。對采用橡膠支座而無固定支座的橋跨，應加設防移角鋼或設擋軌，作為支座的抗震設計。

在地震區的橋梁結構以采用跨度相等、每聯連續跨內下部墩身剛度相等為宜。跨度不均，墩身剛度不等極易發生震害。對各墩高度相差較大的情況可采用調整墩頂支座尺寸和樁頂設允許墩身位移的套筒來調整各墩的剛度，以便使之剛度盡量保持一致。

對高烈度區的橋梁設計應在縱向設置一定的消能裝置，如采用減、隔震支座，以及在梁體和墩臺的連接處增加結構的柔性和阻尼以便共同受力和減小水平橋梁荷載。

由于拱橋對支座水平位移十分敏感，而兩邊橋臺的非同步激振會引起較大的偽靜力反應，有時甚至會大于慣性力所引起的動力反應，因此要求震區的拱橋墩臺基礎務必設置于整體巖盤或同一類型的場址以保證震時各支座的同步激振。

橋梁的基礎應盡可能的建在可靠的地基上，否則軟土的液化會加大地震反應。地震區橋跨不宜太長，大跨度意味著墩柱承受的軸向力過大，從而降低墩柱的延性力。

墩柱設計中應盡可能的使用螺旋形箍筋，以便為墩柱提供足夠的約束。另外墩身及基礎的縱向鋼盤伸入蓋梁和承臺應有一定的錨固長度以增強連接點的延性，并且，橋墩基腳處應有足夠的抵抗墩柱彎矩與剪切力的能力，不允許有塑性鉸接。

采用將橋墩某些部位設計成具有足夠的延性，以使在強震作用下使該部位形成穩定的延性塑性鉸，并產生彈塑性變形來延長結構的振動周期，耗散地震力。采用上部結構和橋墩完全連接的剛構體系，并且樁尖穿過可液化層達到堅硬土層上，由于結構的超靜定次數增大和堅實的樁尖承載能力的保證，減少了由于土壤變形而失效的可能性。

結論:

總而言之，目前用于橋梁抗震設計的方法很多，各有優缺點，大部分都是基于計算機程序化計算。在實際工程實踐中，應根據不同的結構形式和設計要求合理選擇抗震設計方法。

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