探討橋梁工程抗震設計問題

周永生,安欣

摘要 當下的熱點研究問題是橋梁工程的抗震能力研究。橋梁在交通運輸方面有著特殊的意義，它是連接江河海湖上，讓行人車輛能夠順利通行的重要建筑。近年來的地震讓國內外都受到不少損失，并且公路和橋梁都遭受了破損，不同程度的震撼使重建家園的進度受到影響，它造成了道路中斷，造成抗震救災和運輸工作的很大阻礙。因此，橋梁工程也被稱為生命線工程，如今橋梁抗震問題也開始引起越來越多的關注。本文在分析橋梁結構地震破壞的主要形式基礎上，闡述了橋梁抗震設計原則，最后對于橋梁抗震設計方法進行分析，重點探討了橋梁抗震概念設計原創、介紹了抗震設計的參數等內容。

關鍵詞 橋梁工程；抗震破壞；抗震設計

中圖分類號U442 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）43-0017-02

0 引言

地震是一種毀滅性很強的自然災害，具有突發性，雖然它持續的時間只有短短的幾十秒，但會造成非常巨大的損失，歷來是嚴重危害人類的大災害。與其他自然災害不能相比的是，它帶來的損失不僅僅是財產，還有無數生命。在最近的20年里，全球發生了許多次地震，震級大，極具破壞性，尤其是發生在城市中，造成的生命財產損失是慘重的。每個城市的都有個共同特點是：每個橋梁工程都受到了不同程度的損壞，切斷了地震區域的交通生命線，給救災的行動也帶來了很大的困難，加重了災區的次生災害。而對交通線的依賴性也越來越強。交通線被地震破壞，直接導致生命財產和間接造成經濟損失的程度變大。地震里的橋梁工程受到破壞的后果影響著國家對其的關注性。因此，橋梁工程的抗震研究也彰顯了重要性。

1 橋梁結構地震破壞的主要形式

滑坡、地表斷裂、軟土震陷、沙土液化等都是地震所造成的主要地表破壞現象。軟弱粘性土的土坡，有著軟弱夾層不穩定的邊坡，層里傾斜且會在地震時受到附加水平力或土層的強度降低發生滑動等意外。導致了在這些附近或邊坡修筑的建筑物損壞。在山區或丘陵地區，由地震引起的滑坡是震害特點。滑坡大都出現在人工邊坡開挖面還有平原地區的河岸不穩定地區。在地震作用下，飽和沙土的結構遭到破壞，土地的顆粒發生了相對位移，體積也收縮了，孔隙水壓力也暫時明顯增大，當沙土顆粒形同呈懸浮狀態的“液體”時，就是孔隙水的壓力上升到了與外部壓力相等的時候，土體的抗剪強度就喪失了；而另一方面，“噴水冒沙”現象的形成，是高壓力孔隙水將沙土顆粒同時帶了出來，噴出了地面。在強震作用下，土體結構的強度降低，孔隙水從邊界因為壓力增大而排出，軟黏土因為擠壓的狀況而產生的不均勻沉陷，土體結構也被擾動。而會導致橋梁的結構尤其是超靜定結構的破壞甚至倒塌的原因，就是不均勻沉陷所引起的內力重分布。而在橋梁的組成部位上，就是橋梁震害發生破壞的重點部位。橋梁通常都是由支撐連接構件、上部結構、墩臺等結構和基礎組成的。

2 橋梁抗震設計原則

1）場地的選擇。第一步我們要依據地震危險性的分析來判斷選擇比較安全的地方，然后我們需要考慮這個地區內部的場地選擇，例如，選擇較為堅硬的地方，以免地震的時候因為地基松軟導致抗震失效；

2）體系整體性和規則性的重視。不管是在平面上還是在立面上，結果的布置均需要使用科學的幾何尺寸，剛度以及質量均勻，規則對策，從而來避免突然的變化。橋梁的上部結構應盡可能是連續的，從而保證橋梁良好的整體性。較好的整體性是結構發揮空間作用的基本條件，同時它也可以有效地防止結構構件及非結構構件在地震時被震散掉落；

3）增強結構與構件的延性和強度。橋梁的抗震設計主要是控制從地基傳入到結構內部的能量為最小值。同時提高結構自身的剛強度以及延性。由于橋梁地震破壞的原因主要是橋梁結構的震動。因此，在不改變橋梁的剛度以及重量的前提條件下，提高總體的延性以及強度是橋梁抗震的兩個比較有效的途徑。剛度能夠有效的控制結構變形，延性以及強度是兩個抗震的關鍵指標。只重視強度而忽視延性絕對不是良好的抗震設計，因為地震動可造成結構和構件周期反復變形，使其剛度與強度逐漸退化；

4）嚴格遵循能力設計原則。在我國以前的建筑抗震設計中，普遍采用“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件”的設計思想。強度安全度差異是能力設計思想特別強調的，即在不同破壞模式（延性破壞和脆性破壞模式）和不同構件（能力保護構件——不適宜發生非彈性變形構件的統稱和延性構件）之間確立不同的強度安全度。通過強度安全度差異，確保在大地震下，結構不發生脆性的破壞模式，而是以延性形式反應；

5）建立多道抗震防線。在強地震過程中，應該保證一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結構，從而避免結構倒塌。因此要盡量使橋梁成為具有多道抵抗地震側向力的體系。從這點上看，超靜定結構要明顯優于同種類型的靜定結構。

3 抗震設計的參數

橋梁抗震設計的主要參數有3個：橋梁結構的強度、剛度和延性。

3.1 強度

結構只有具有足夠的強度，以抵抗結構在其彈性地震反應時所產生的內力，才能保證橋梁結構在預期的地震作用下免遭破壞。對于發生概率很低的地震，如部規規定的設防地震（475 年一遇的地震），結構需要具有相當高的強度才能抵抗其激起的彈性地震力。

3.2 剛度

結構剛度把荷載或作用力與結構的變形聯系起來，其估計值將直接影響到對結構地震反應位移的預期值。因此工程師必須估算出結構的實際剛度，以正確可靠地計算結構在地震側向力作用下的變形，進而控制其變形。過去往往人為的低估了結構的地震反應位移，簡單的用全截面剛度來代替開裂截面剛度，結果導致地震中落梁震害的嚴重后果頻出。

3.3 延性

通常用延性這個術語來描述結構、構件或材料用于抵抗其在非彈性反應范圍內的變形的能力。延性是位于地震區的橋梁結構所必須具備的一個無比重要的特性。由于地震動對結構的作用是以運動方式、而非力的方式出現，結構能夠依靠其延性，在大地震迫使橋梁產生大變形時（這些變形可能遠遠超出了彈性范圍），仍能維持其大部分初始強度，從而免于倒塌。

4 橋梁抗震設計應注意的事項及建議

4.1 橋梁抗震設計注意事項

1）如果剛度的變化太大，剛性大的橋墩在地震中容易產生破壞，應盡可能讓沿縱橫、縱橋向的橋墩剛度一致；

2）曲線橋會使結構地震的反應復雜化，將橋軸線盡量設計成直線；斜交會引起增大位移的轉動響應，使橋墩和橋臺盡可能與軸線垂直；

3）為了觀察與修復的方便，應將塑性鉸設計在墩柱上，而不應在主梁、蓋梁、地下或水中的樁頂處；

4）我們在進行選材以及確定結構的形式的時候應該遵照以下的幾個基本原則：變形能力強，質量輕強度高，結構的整體性好，剛度和強度衰減小。單從抗震性能優劣對材料進行劃分依次為：鋼結構，鋼礬組合結構，現澆鋼筋礬，預制鋼筋礬，預應力礬，砌體；

5）增加結構延性，防止脆性與失穩破壞。磚、石、素砼的開裂和鋼筋砼的剪切破壞是常見的脆性破壞；斜撐和柱的失穩以及柱中縱向鋼筋在箍筋不足時的壓屈是常見的失穩破壞。

4.2 橋梁抗震設計的建議

1）地震有著不確定性的特點，因此會導致計算橋梁抗震結構的失真。地震運動是因為震源通過傳播介質體再通過場地地質體這樣一系列的變化運動而形成的綜合變化，所以，在計算的過程中存在很多的不確定性模糊事件；

2）我們應該盡可能的使用連續的橋跨來替代簡支梁，減少伸縮縫的數量，降低在這個地方落梁的可能性。同時也增加橋上駕車的舒適度；

3）為防止主梁發生位移落梁，應加強橋面的連續構造以提供足夠的寬度；另外還應適當地拓寬墩俞頂蓋梁及支座，并增設隔擋裝置以防止位移；

4）應該選取比較好的，較為穩定的河段架設橋梁，如果沒有辦法，必須在穩定性比較差的河段進行架設，那么應該盡量采用橋梁的中心與河流成正交狀態，盡可能的避免河槽和河灘分界的地方發生突變；

5）軟土的液化會加大地震反應，因此橋梁的基礎應盡可能地建在可靠的地基上；

6）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能力，因此橋跨宜短而不宜太長；

7）為了便于給墩柱提供足夠的約束，墩柱設計中應盡可能地使用螺旋形箍筋。另外為了增強連接點的延性墩身及基礎的縱向鋼筋伸入蓋梁和承臺應有一定的錨固長；

8）較高的排架橋墩，更易發生墩柱的橫向位移和設計彎矩，因此對較高的排架橋墩，墩間應增設橫系梁；

9）采用新技術、新材料增強橋梁的減隔震，實現橋梁的抗震設計。比如減隔震支座，即鉛芯橡膠支座、雙曲面(球面)支座、阻尼器等。

5 結論

橋梁工程的抗震設計需要每個研究者的認真對待，它的設計體現在各個階段，是一項重要的系統工程。在可行性研究階段，應該將抗震概念的設計進行強化，選擇橋型和橋位的時候要合理一點；初步的設計階段，將抗震體系的設計強化，把合理的抗震驗算準則和設防標準確定下來，將結構的總體進行分析，在設計的過程中，我們要重視抗震結構的每一個細節。

參考文獻

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