淺談山區公路彎橋、斜橋、坡橋抗震設計

林 云，王清遠

(四川大學建筑與環境學院，四川成都 610065)

1 山區各類橋梁要有較強的抗震概念設計

1.1 剛度和質量平衡

剛度和質量平衡是山區橋梁抗震理念中最重要的一條。在山區公路中建議不采用簡支梁，而做連續梁橋，或是采用幾跨先簡支后連續成剛接，形成幾跨連成一聯的連續橋。對于連續梁橋，同一聯內各橋墩的高度應盡可能相近。對于因相鄰橋墩高度不同而導致剛度相差較大的情況，水平地震力在各墩柱之間的分配一般不理想，剛度大的墩將承受較大的水平地震力，影響了結構的整體抗震能力。如果剛度扭轉中心和質量中心偏離，上部結構還將伴隨產生水平轉動，增加了落梁和碰撞等破壞的機率。山區橋梁由于山谷兩側山體坡度較大，墩的高度往往相差懸殊，跨距不均勻，所以很容易造成剛度和質量不平衡的情況。所以設計時優先考慮橋梁的等跨徑、等橋寬、等墩高。

在高低起伏的山區地形上采用連續梁形式代替簡支結構，并通過護筒使每一聯內各墩的有效墩高比較接近。護筒的直徑比墩直徑大，可滿足護筒中的墩身在地震力作用下自由變形。在墩柱高度相差很大的連續梁橋，可設置伸縮縫，每一聯在伸縮縫附近設置一墩，兩聯之間沒有傳力構件，兩聯相對獨立，從而消除了兩聯剛度差異對剪力分配的影響。

1.2 結構設計原則及橋的造型

(1)山區橋梁地質條件復雜，在特殊的橋梁設計中更應該注意橋位的選擇。應該盡量避免地震危險地段，充分的利用地震有利地段，除了地質條件以外，局部的工程地質、水文條件、地基土質等場地因素對于橋梁的震害也有很大的影響。所以山區橋梁的墩柱所在的地質條件一定要勘測清楚。

(2)避免或減輕在地震作用下因地基變形或地基失效造成的破壞。地震作用會使土的力學性質發生變化，特別是一些土的承載力，很容易使地基失效，使橋梁產生嚴重的位移和下沉，嚴重的會導致橋梁的垮塌。最好是避開失效的松軟場地，選擇堅硬場地。在地基穩定的條件下，還應考慮結構與地基的震動特性，力求避免共振。在軟弱的地基上，設計時應采用深基礎，并考慮基礎的抗震設計。

(3)提高結構和構件的強度和延性，避免脆性破壞。“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點強錨固”在橋梁的設計中也是可以使用的，使結構在地震中的表現不是因為結構失穩或結構支撐不足而破壞。在結構設計時要力圖使從地基傳入結構的震動能量最小，并使結構具有一定的強度、剛度和延性，以防止不能容忍的破壞。剛度的選擇有利于控制橋梁的變形，延性主要提高結構的耗能。但是要注意控制，以防止脆性破壞和非彈性破壞。

(4)加強橋梁結構的整體性。強烈的地震，荷載通過橋梁的各組成部分之間的相互連接來傳遞，并依靠各個組成部分本身的強度以及他們之間的連接作用來承擔。剛度不足和強度不足的部分，以及連接薄弱的部分往往會首先發生破壞，有時還會引起橋梁結構的整體破壞。

(5)山區橋梁的墩往往比較高，在地震作用下，墩頂位移比較大。諸如采用簡支梁，在地震中很容易發生落梁破壞，采用連續梁情況會有所改善。如果墩梁固結，多余約束在強震中形成塑性鉸，可以大量耗能，對于抗震是非常有益的。斜橋橋墩傳遞給上部結構的地震力與橋梁的軸線斜交，促使橋梁上部結構平面轉動。蓋梁的剪力鍵不足以抵御上部結構轉動時，就會發生落梁破壞。而且橋梁的轉動會加劇主梁間的碰撞，造成主梁和伸縮縫等構件的破壞。

1.3 各部位的抗震措施選擇

1.3.1 橋梁上部結構抗震措施

橋梁震害后果通常表現為上部結構的縱橫位移導致相鄰梁體互相碰撞，上部結構與橋臺的碰撞以及側傾和落梁。山區橋梁由于地形的限制，在伸縮縫處可能產生相鄰梁體的較大的相對位移，而且方向不確定，導致伸縮縫處梁體的碰撞，這對預防落梁、梁體碰撞等震害是很不利的，所以，在兩聯間設計縱、橫向的限位裝置十分必要。橫橋向的限位措施主要有剪力鍵和防震錨栓，縱向限位措施包括剪力鍵、防震錨栓、鏈索式和拉桿式限位器等。限位裝置應允許梁體在小范圍內自由移動，該自由移動范圍的大小一般以不影響支座的正常變形為宜。為減小碰撞力和碰撞損傷，限位器常在梁間和主梁與剪力鍵間設置橡膠等緩沖材料。限位器通過剪力鍵、PC 棒或鏈索等高強度構件來限制梁體的極限相對位移。在沒有以上措施時，可留足墩臺蓋梁或墩帽的支撐寬度，保證橋跨在縱向位移不超出支座長度，不發生落架的破壞;支座在地震中的抗剪承載力必須滿足要求，防止落架破壞。

1.3.2 橋梁下部結構的抗震措施

橋梁下部結構的震害是由于受到較大水平地震力，瞬時反復振動在相對薄弱的截面發生破壞而引起的，它是引起橋梁倒塌的主要原因。其破壞形式，高墩多為彎曲型，表現為混凝土開裂、壓潰和主筋彎曲及箍筋松脫等;而粗矮墩由于剛性大，多為折斷狀態的脆性剪切破壞。提高這類結構的抗震能力不能僅靠提高強度來解決，而應提高其結構的延性，使其承受較大的塑性變形。橋墩盡可能采用鋼筋混凝土結構，其延性較好，空心截面的橋墩其延性優于實心截面的橋墩;為提高柱式墩縱橫向剛度，可適當加大樁、柱直徑或采用雙排的柱式墩和排架樁墩，樁、柱間設置橫系梁等。在設計中，除重視鋼筋數量的合理配置外，應避免在墩柱中過早切斷主筋。主筋宜對稱布置，其間距不大于20 cm，至少每隔一根主筋宜用箍筋或拉筋固定。墩柱的箍筋間距對延性影響很大，間距越小延性越大，它能約束豎向主筋的屈曲，限止混凝土的橫向膨脹。

1.3.3 基礎抗震措施

地基失效是橋梁基礎產生震害的主要原因。震害調查表明，橋梁基礎置于基巖或堅硬土層時，震害較輕。因此，要避免在不穩定的地段修建橋梁，而應盡可能將橋梁建造在巖石或均勻穩定的堅硬土層上。當不可避免要在地基土較差的橋位處建橋時，則盡可能采用深基礎，并在樁的上部，離地面1～3 m 的范圍內加強鋼筋布設。在構造上，要加強基礎的整體性和剛度，同時采取減輕上部荷載等相應措施。采用灌注樁基礎時，其破壞位置一般不是很明確，對于在震后的維修和檢測有很大隱患。對于該問題，可以人為設置塑性角，加大地底下的樁柱尺寸，將最容易破壞的截面提高到基礎以上。

2 針對山區公路彎、斜、坡橋的抗震思路與措施

2.1 山區彎橋抗震設計

山區公路彎橋在地震中的表現是很值得關注的，彎橋往往是在受力上比一般橋梁更加的復雜，地震荷載輸入的情況下，結構的震動力除了各方向的加速度外還有很強的扭轉力，所以在彎橋的設計中應特別注意橋墩結構的選型，相關文獻推薦使用單圓形墩柱。單圓形墩柱在各個方向的慣性矩和截面性質都是一樣的，對于不確定方向荷載的抵抗力有很好的效果。在抵抗扭矩時，單圓形柱墩比雙柱墩更具優勢。

2.2 山區斜橋抗震設計

山區公路斜橋除了上述山區橋梁應該注意的事項以外，更加要注意上部墩柱頂部的預留寬度和該處上部結構的連接作用。在地震的作用下，斜橋橋墩傳遞給上部結構的地震力與橋梁的軸線斜交，促使橋梁上部結構平面轉動。蓋梁的剪力鍵不足以抵御上部結構轉動時，就會發生落梁破壞。而且橋梁的轉動會加劇主梁間的碰撞，造成主梁和伸縮縫等構件的破壞。所以上部結構的連接作用要加強，并且支座比一般橋梁要寬。

2.3 山區坡橋抗震設計

山區公路坡橋的縱向各墩高度很容易相差很大，其在橋墩剛度的分配上就相差很大。要求采用一定的措施來調整剛度和質量的分配，可以參考本文中前面所說的做法。另外，坡橋要限制其坡度值。坡橋結構的坡度過大，橋梁縱向的低墩位將承受更大的沖擊，在墩位較低側應加強連接和加強柱墩的抗彎能力。坡橋在坡向會有一定的滑動傾向，所選用的支座尺寸一定要保證在地震的縱向作用和自重滑動傾向作用下的安全問題。

［1］宋曉東，李建中.山區橋梁的抗震概念設計［J］.地震工程與工程振動，2004(1)

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［3］范立礎，王志強.橋梁減隔震設計［M］.北京:人民交通出版社，2001

［4］范立礎.橋梁抗震［M］.上海:同濟大學出版社，1997