關于橋梁抗震設計的探討

黃繼旺 李輝

（1、湖北金恒通交通建設咨詢監理公司，湖北 襄陽 441000;2、襄樊市交通規劃設計院，湖北 襄陽 441000）

一.引言

橋梁工程在現代交通網絡中起著重要的樞紐作用，但橋梁容易受到地震等自然災害的破壞作用，從而造成人員傷亡和財產損失，并使交通中斷。通過大量的橋梁震害研究發現，除液化、斷層等地基失效引起的破壞以外，地震對混凝土橋梁最常見的破壞形式有彎曲破壞、剪切破壞、落梁破壞和支座損傷等。下面筆者針對這幾種破壞形式來簡要探討橋梁的抗震設計要點。

二.橋梁抗震設計原則

根據歷次的橋梁震害教訓和當前公認的理論認識，學界普遍認為橋梁抗震設計應盡可能遵循以下這些基本原則，以使橋梁結構在強度、剛度和延性等指標上取得最佳的抗震效果。

1.場地選擇

橋梁選址應避免地震時可能發生地基失效的松軟場地，而應在堅硬場地上建設橋梁?；鶐r、堅實的碎石類地基、不穩定的坡地都是危險的場地。當不得已而選在軟弱地基上，設計時要提高基礎整體性，盡可能地減小地震造成的不均勻變形；在地基穩定的條件下，還應考慮地基和結構的振動特性以防產生共振。

2.體系的整體性和規則性

橋梁的整體性要好，以防止結構構件在地震時被震散掉落，上部結構應盡可能是連續的，這樣有助于較好地發揮空間作用。橋梁在里面和平面結構的布置上，應盡量使質量、剛度和幾何尺寸對稱、均勻，不得突然變化。

3.高結構和構件的強度和延性

地震動引起的結構振動是地震導致橋梁結構破壞的主要原因，所以從地基傳入結構的振動能量越小越好，因而在設計中盡量使結構具有適當的強度、剛度和延性，延性和強度是決定結構抗震能力的兩個重要參數，而剛度的選擇有助于控制結構變形。

4.能力設計原則

以往的橋梁設計思想認為結構各構件都具有近似相等的安全度較為理想，即不讓結構中存在薄弱點。但實際上各構件的重要程度是有差別的，所以抗震結構中不應采取等安全度設計思想。

能力設計思想強調強度安全度差異，也就是在不同構件與不同破壞模式間確立不同的強度安全度，以確保結構在大地震下以延性形式反應，避免出現脆性破壞模式。這種思想與建筑抗震設計中的"強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件"的原理是相同的。

5.多道抗震防線

設計中應盡可能地使橋梁體系具有多道抵抗地震側向力的防線，使得地震過程中，一道防線破壞后仍有其他防線可支撐結構，防止倒塌。

三.橋梁抗震概念設計

地震作用具有很強的隨機性，它是一種不規則的循環往復荷載，并且橋梁結構的地震破壞機理十分復雜，人們對其認識還不夠充分，所以目前還難以進行精確的抗震設計。因而人們提出了一種"概念設計"的思想，它是相對"數值設計"而言的，即是根據地震災害和工程經驗等獲得的設計思想和原則，來解決結構總體方案和細部構造，實現抗震設計。

橋梁抗震概念設計階段的主要任務是選擇結構體系，理想的橋梁抗震結構體系布置為：（1）從結構布局上，橋梁保持小跨徑，以使橋墩承受的軸壓水平較低而獲得更佳的延性；基礎是建造在堅硬的場地上；上部結構是連續的，伸縮縫盡可能少，以免出現落梁；各橋墩的強度和剛度在各個方向都相同；在多個橋墩上布置彈性支座，以便分散地震力。（2）從幾何線形上，直橋最好，并且各墩高度相差不宜過大，否則容易造成地震力的分配不均勻，不利于整體結構的抗震。

在實際工程中，由于各種限制條件，如橋址地址條件、線路走向以及功能要求等，導致很難取得理想的抗震體系，但仍應盡量考慮以上抗震概念設計的原則。

四.橋梁延性抗震設計

目前大多數多地震國家的橋梁抗震設計規范已經從傳統的強度理論向延性抗震理論過渡，這種設計思想主要借助結構的選定部位的塑性變形來消耗地震能量，減小地震反應，從而實現抵抗地震作用。

延性抗震設計首先須選定潛在塑性鉸區的位置，該位置應是易于發現和易于修復的結構部位，并且要應能使結構獲得最優的耗能。通常橋梁結構主要是由下部結構承受整體重量，并且大量的震害調查也表明，橋梁下部結構常因遭受巨大的水平地震慣性力作用而破壞，上部結構很少會因地震動作用而破壞。所以塑性鉸位置應在橋梁的下部結構的橋墩上。

根據延性性能的發揮程度，延性結構可分為完全延性結構、有限延性結構和完全彈性結構三種，須根據實際情況來選擇結構的延性類型。一般橋梁的鋼筋混凝土橋墩設計成延性構件，為了保證其延性，可在預期塑性鉸區截面配置足夠橫向約束箍筋，以約束核心混凝土而提高其的極限壓應變，從而提供設計所需的延性。還要對蓋梁、支座和基礎等構件采取相應的措施，使它們與延性構件之間確立適當的強度等級差異，保證始終不出現非彈性變形。

五.多階段設計方法

隨著對地震產生機理、破壞機理、構件能力研究認識的加深，橋梁的設防水準也由原來的單一設防水準一階段設計向著多水準設防發展。

1.單水準設防一階段設計

即設防標準主要以橋梁結構在大地震作用下不發生倒塌為設計目標，以保證生命安全，避免大的財產損失。

2.雙水準設防、三水準設防兩階段設計

即"小震不壞、中震可修、大震不倒"的分類設防的抗震設計思想。一些地方中、小地震發生的可能性大，頻率高，可使結構處于彈性范圍內工作，使得結構不致因累積損傷而影響其使用性能。而大地震在結構使用壽命內發生概率小，要想使橋梁結構彈性地抵抗它，不僅會增加造價，而且對于大地震的防范效果也不大，所以允許結構產生塑性變形和有限度的損傷。

3.三水準設防三階段設計

在房屋建筑結構的抗震設計中，一般三水準設防兩階段設計就能使結構在小震下保持彈性、大地震下不倒塌。對于重要橋梁，由于兩階段設計未要求對中震設防水準性能校核，這可能導致在發生該水準地震作用時，橋梁并未倒塌，但支座、伸縮裝置等連接裝置發生損傷嚴重，使得結構也不能正常使用。所以有學者提出采用三水準設防三階段設計的方法，分別校核各自的設計指標，確保設計滿足要求。

六.減隔震結構的應用

減隔震技術是近幾十年來發展起來的一種先進的、有效的抗震手段。減震是利用特制減震構件或裝置，在地震時率先進入入塑性區，消耗進入結構體系的能量；而隔震則是設法阻止地震能量進入主體結構。

橋梁減隔震系統包含三部分：柔性支撐、阻尼裝置和必要的構造措施。

1.柔性支撐裝置

橡膠支座是工程上應用最廣、實用性最廣的柔性支撐，此外，還有滾軸、滑板、纜索懸吊、柔性套管樁、擺動等其他一些柔性裝置。

2.阻尼裝置

滯回阻尼是一種最有效的提供耗能的方式，即通過材料的塑性變形耗能。摩擦耗能也是一種阻尼耗能方式，但摩擦系數不易控制，并且其沒有自復位能力，震后易存在較大的殘余變形。另外還有液壓摩擦阻尼和粘滯阻尼等。

3.必要的剛度要求和構造措施

減隔震裝置要發揮作用，支撐以上結構，就必定要有足夠的自由活動空間，若伸縮縫滿足不了其需要，則須采取如"碰即脫"橋臺頂塊等特殊的構造措施。此外，在地震作用下，結構采用減隔震技術后一般會產生較大的位移，并且難以準確估計此位移值，所以通常需要設置專門的防落梁裝置來防止地震下發生落梁和碰撞震害。

結語

除了以上幾種抗震設計思路和方法之外，還可通過配筋構造和采取防止落梁的措施來提高橋梁的抗震性能?？傊?，橋梁的抗震設計方法和措施很多，我們橋梁工程人員應根據具體的橋梁性質和當地的地質情況來選用合適的抗震設計方法，在經濟和技術水平允許的條件下提高橋梁的抗震性能。

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