淺談橋梁抗震設計的問題及其對策研究

楊 菲

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

淺談橋梁抗震設計的問題及其對策研究

楊 菲

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

中國是一個地震多發的國家，歷史上唐山大地震、汶川大地震等強烈的地震災害給中國人民造成了無可估量的損失。為了對抗自然災害，盡可能地避免地震災害造成的問題，文章針對橋梁抗震設計中的問題與對策進行了總結，旨在為橋梁抗震設計工作貢獻一份力量。

橋梁抗震設計；震害；減震設計；設計方法優化

中國是一個地震災害發生頻率較高的國家，2010年5月的汶川地震給國家與人民帶來了觸目驚心的巨大損失。為了應對頻發的地震災害，橋梁抗震設計工作格外重要，相關工作者應當充分認識到其職責所在，合理應用專業知識來盡可能地提高結構物的抗震能力，最大限度地減少地震災害造成的不利影響。

1 常見的橋梁震害概述

橋梁震害是地震災害中最為常見的一種橋梁震害，具體情況是橋臺和路基同時向河心移動，樁柱式橋臺的樁柱隨之開裂、傾斜、折斷；重力式橋臺的胸墻開裂，橋臺臺體下沉、移動、轉動；橋頭的引道沉降，翼墻開裂、損壞，施工縫開裂，橋臺撞擊主梁導致結構破壞[1]。橋臺的移動、傾斜可能導致主梁受壓損壞，甚至有可能使主梁坍毀。

同樣高發的橋梁震害還有橋墩震害以及支座震害。橋墩的震害主要有橋墩傾斜、沉降、移位、墩身剪斷、開裂，受壓緣的混凝土崩壞，鋼筋屈曲、裸露，橋墩與基礎連接處折斷、開裂等等。在震力作用下，部分支座在最初設計時并未充分考慮到抗震要求，缺乏連接、支擋等結構的必要構造措施，有些情況下，支座材料與形式上的缺陷直接造成支座產生過大的移位或者形變，進而導致了支座錨固螺栓剪斷、活動、拔出，支座脫落，支座主體結構破壞等。這樣的情況會導致結構力的傳遞形式發生變化，對整體結構中的其他部件產生非常不利的影響。

最為嚴重的橋梁震害現象則是主梁墜落。主梁墜落又稱落梁，主要成因是橋臺、橋墩的傾斜或者倒塌，梁體碰撞、支座破壞、相鄰橋墩間相對位移過大等情況[2]。除此之外，地基與基礎震害也是導致橋梁倒塌的嚴重橋梁震害。地基震害導致的橋梁破壞屬于災后難以修復的橋梁震害，主要成因包括不均勻沉降、砂土液化、穩定性低等因素造成的地層水平移動、地層下沉、地層斷裂。地基破壞與基礎破壞具有緊密的相關性，地基破壞通常直接導致基礎破壞。

橋梁震害的成因具有很強的多樣性。地震發生時，地層的移動會導致梁式橋梁上部的活動節點因為蓋梁寬度不足而發生落梁或者梁體碰撞,而拱式結構的橋梁則會出現拱上建筑以及腹拱受損，拱圈在拱頂、拱腳處產生裂縫，整個拱圈隆起變形。

地基土的液化影響,也加大了地層移動的影響，放大了橋梁結構的振動反應，大大增加了發生落梁的可能性。采用排架樁的橋梁，會出現樁基承載力降低的情況，這樣的情況會導致與地震無關的大幅度縱移、橫移，這種現象在簡支梁橋上格外突出。除此之外，地基強度低會導致部分地基土液化失效之后出現橋梁結構物整體傾斜、下沉、嚴重變形等情況，最終導致結構物破壞，震害加劇。

低強度的下部結構破壞指的是橋梁下部結構強度不足，難以抵抗自身的慣性以及支座傳遞下來的主梁地震力，在地震災情發生是結構下部變形、開裂、失效，最終可能傾覆，引起整個橋梁的嚴重破壞。

2 設計問題的分析與解決

2.1 總體設計中問題的解決策略

總體設計是橋梁抗震設計的基礎，而橋位的選擇則是橋梁抗震總體設計過程的核心。在選擇橋址時，需避開地震時地基可能失效的松軟土地，選擇相對堅硬場地。堅實碎石地基、基巖、硬黏土地基可以說是比較理想的橋址地；人工填土、飽和松散粉細砂、極軟的黏土地基和不穩定坡地則都屬于危險地區。拱橋在設計中需要避免跨越地質斷層，在特殊困難的情況下則必須進行安全性評價。

選址之外，總體抗震設計中的橋梁選型也是一個重要步驟。橋梁選型應結合地質條件、地形條件、震害經驗、工程規模等因素，綜合考慮后選擇合理的橋型以及墩臺、基礎型式。在選型過程中要采用經濟合理、技術先進、便于修復加固的橋梁結構體系。同時還要考慮采用型鋼混凝土結構等減震結構。

橋孔應該盡量選擇有利抗震的等跨布置，同時盡可能避免高墩、大跨的結合。需要做到自重輕、體形簡單、剛度與質量均勻分布、便于施工、重心低。位于震后可能形成泥石流的溝谷上方的橋梁，孔跨與橋下凈高應根據地質、地形的情況酌情增大。

2.2 減震設計中應當注意的要點

結構剛度對稱格外有利于抗震,而不等跨橋梁則更容易發生震害。尤其是橋梁墩身高度差距過大時,較矮的橋墩上將產生極大的水平地震力，大跨徑橋孔的橋墩上也會產生很大的地震力。設計上需要盡可能避免在高烈度區選用這種橋型，若無法避免這種情況，則應當在不利墩上采取抗震支座等消能措施以降低橋墩墩頂集成剛度[3]。

斜橋的抗震性能是比較低的。由于其抗推剛度很大，在高烈度區，橋墩的基本周期動力放大系數也很大，這種情況會直接導致震災加劇。此外，地震時橋臺處河岸不穩，容易向河心移動，縮短橋長，使得橋孔發生扭轉或錯動，進而導致墩臺的臺身折斷或開裂。在地基條件允許的情況下，臺身可以做成U型或者T型等整體性較強、抗推剛度高的形狀，也可以采取埋置式。松軟的地基上建造的橋梁應該當正交，同時適當加大橋長，盡可能將橋臺置于穩定的河岸上。

在可能出現地震液化現象的地基上建造橋梁時，需采用深基礎，讓樁與沉井穿透可能液化土層，埋入較穩定密實的深層土質。加強橋體下部的支撐梁板或者采用滿河床鋪砌，盡可能保持四鉸框架結構，嚴防墩臺在震災發生時移動。

高烈度地區大跨徑橋梁抗震設計過程中，縱向梁間要設置消能設施，所設計的設施要有足夠的強度，同時還需要滿足梁端位移的要求。除此之外，為了防止落梁，需注意加強上、下部結構間的聯系。橋梁的支座采用的銷釘、錨栓、剪力鍵等部件都要有足夠的強度。

2.3 地震影響的分析與設計方法的優化

隨著人們對結構動力特性的理解逐漸加深，已經建立了多種抗震設計相關理論與地震響應分析設計方法。從地震波的頻譜、振幅、持續時間這3個要素來看，抗震設計靜力理論主要研究了高頻振動的振幅最大值；反應譜的理論雖然考慮了振幅與頻譜兩個要素，但是持續時間則始終不能得到明確的表達；動力理論是相對完善的理論，在考慮地震持續時間的同時還考慮到諸多地動反應譜中不能完全概括的特性。

從結構和構件的動力模型、輸入地震動、實用的地震反應分析方法、抗震結構設計原則這4個結構抗震設計理論的基本內容來看，靜力理論對上述4方面因素作出了很大程度上的簡化，而反應譜的理論也作出了相對較大的簡化，最為全面的動力理論則考慮的相對完善、復雜，動力理論的輸入地震動需要給出具有概率含義、符合場地情況的加速度的時間函數，更復雜結構則需給出3個分量以及空間相關性[4]。結構與構件的動力模型更加接近實際情況，動力模型中包含了非線性特性。地震反應分析法綜合考慮了出現震災時抗震結構的反應過程，包括能量損耗積累與變形，而設計原則考慮到了多種使用狀態下的安全概率保證。

3 結束語

文章首先簡述了常見的震害，分析了震害產生的原因，進而從總體設計、減震設計、影響的分析與設計方法的優化這3個角度剖析了橋梁抗震設計中的現存問題及解決方法。文章具有嚴整的邏輯結構、充實的內容。

[1] 徐日雄，淺談橋梁抗震設計[J]，科技情報開發與經濟，2010.1.

[2] 劉青蘭，基于性能橋梁抗震設計研究[J]，內蒙古公路與運輸，2010.1.

[3] 孫文，試論橋梁抗震設計方法[J]，安徽建筑，2009.1.

[4] 梁巖，橋梁抗震設計措施的改進[J]，北方交通，2009.4.

Discussion on the Problem s and Strategies Study of Bridge Seism ic Design

Yang Fei

China is an earthquake prone country.In the history,the strong earthquake disaster including Tangshan great earthquake and Wenchuan great earthquake,etc.caused immeasurable loss to Chinese people.In order to combat natural disasters and avoid the problems caused by the earthquake disaster as much as possible,the paper summarizes on the problems and countermeasures in bridge seismic design,so as to contribute a force tobridge seismic design.

bridge seismic design;earthquake damage;damping design;design method optimization

U442.55

A

1000-8136(2011)08-0076-02

楊菲，男，1980年出生，陜西西安人，2002年畢業于長安大學橋梁工程專業，工程師。