橋梁抗震設計與加固

張一王敏　張民

【摘 要】選擇合理恰當的橋梁抗震設計方法是保證公路橋梁安全運營的基本前提。首先介紹了我國的橋梁抗震設防標準，然后分析了幾種常用抗震設計方法的優缺點，最后簡述了在抗震設計中應注意的幾個問題和抗震加固措施，以期對實際橋梁工程提供借鑒。

【關鍵詞】橋梁抗震；設計方法；抗震加固

【Abstract】Reasonable and proper seismic design method of bridge is the basic premise to guarantee the safe operation of highway bridge. Firstly， the bridge seismic fortification standards in our country is introduced， then analyzing the advantages and disadvantages of several common seismic design method， finally describing the several problems preserved to be paid attention to in the seismic design and aseismic reinforcement measures， in order to provide reference to the practical bridge project.

【Key words】Bridge seismic resistance；Design method；Seismic retrofit

0 引言

在如今世界各地聯系日益密切的時代，公路交通運輸發揮著越來越重要的作用。在整個公路網系統中，橋梁往往是其中的關鍵節點，一旦受到破壞，將會造成無法估量的生命財產損失。近十幾年來，我國地震發生頻頻，2008年汶川地震，2010年青海玉樹地震，2013年雅安地震。其中汶川地震是我國近幾年來發生的造成后果最嚴重的地震，其震級之高、波及范圍之廣、受災人數之多都是世所罕見的。地震發生之后，震區中大多數橋梁被破壞，公路交通中斷，救災人員和物資無法及時運至災區，導致地震發生之后的次生災害影響嚴重，給抗震設防留下了極其慘痛的教訓。鑒于地震給予我國帶來的巨大損失和災難，我國橋梁抗震研究專家經過不懈努力，已經將我國的抗震設計方法逐步從單水準單階段設計發展為雙水準兩階段設計，抗震設計規范也實現了從單一、簡略到系統、詳細的跨越。

1 橋梁抗震設計方法

橋梁抗震設計主要包括抗震設防水準的確定、抗震計算分析、抗震構造設計等幾個方面.這里首先簡要介紹我國抗震設防標準，然后分析了幾種常用抗震設計方法的優缺點，為實際工程中橋梁抗震設計方法的選擇提供參考。

1.1 抗震設防標準

我國的橋梁抗震設防設計核心思想為“小震不壞、中震可修、大震不倒”，即橋梁在較小地震下不發生損壞或輕微損壞；在較大地震作用下發生損壞但經過修復之后仍能正常使用；在強烈地震作用下發生結構破壞但橋梁支撐構件未發生倒塌。最新橋梁抗震設計規范《公路橋梁抗震設計細則》規定我國公路橋梁抗震設計為雙水準兩階段設計。雙水準設計是指在E1 地震作用和E2 地震作用下設計。E1地震作用一般是指重現期為475年以下的地震，E2地震作用是指重現期約為2000年的地震；兩階段設計是指“彈性設計階段”和“延性設計階段”。

1.2 抗震設計方法

自上世紀以來，世界各國橋梁專家在抗震設防領域的研究就一直沒有停息，橋梁抗震設計方法也在不斷地改進與發展，由最初的強度控制設計到如今的位移、延性控制乃至基于性能和能量的設計方法。然而，基于性能和能量的設計方法目前還處于研究階段，在工程應用中還不廣泛。目前世界各國普遍采用的抗震分析方法還是基于強度的設計方法，主要包括靜力法、反應譜法、時程分析法、Push-over分析法等。靜力法是假定橋梁結構在地震作用下具有和地震動一樣的加速度，將此加速度產生的慣性力作用在橋梁上，由此得到橋梁的內力圖，從而進行抗震設計。靜力法概念清晰、容易理解、計算簡便卻沒有考慮橋梁自身的變形和動力特性，只適用于橋臺和擋土墻等質量較大的剛性結構。反應譜法是將結構所在場地給出的設計反應譜作為地震動輸入得到結構響應的方法。作為目前應用最廣泛的抗震設計方法，它沒有考慮地震作用的隨機性，本質上仍是線彈性分析，不能得到結構進入塑形狀態或構件開裂后的內力、變形、周期等特征。時稱分析法主要適用于大跨度或結構復雜的橋梁，與以上兩種抗震分析方法相比，它可以得到地震作用每一時刻的結構內力、變形和加速度等動力特征，還可以模擬復雜的樁—土作用。然而，時稱分析法所依據的加速度記錄只代表以前的地震作用大小，并不能說明未來此地的地震大小如何。Push-over分析法又稱彈塑性靜力分析或倒塌分析，它是在結構模型上施加按某種規則分布的水平側向力來代替地震作用，單調加載并逐漸增大，一旦有構件開裂或屈服自動修改結構剛度矩陣以進行下一步計算，一直循環到結構達到預定狀態，從而判斷是否滿足抗震能力要求。因其計算時間短、輸入數據簡單，所以在今后抗震設計方法的發展中有著很大的發展空間。除此之外，大連理工大學林家浩教授提出的虛擬激勵法作為一種新的分析結構隨機震動的方法在工程抗震領域得到了廣泛關注。這種方法可以將地震的隨機作用轉化為確定性的時程分析，從而可以用常用的動力分析方法實現隨機作用的求解，而且其計算效率之高遠遠超過其他抗震設計方法。

以上抗震分析方法都有各自的特點，在實際橋梁抗震分析中，應根據工程本身的結構和所要得到的結果需求來選取合適的抗震設計方法。由于地震的復雜性和不確定性，而且進行結構計算時所作的假定不一定與實際情況相符，所以不管所用的抗震設計方法多么先進，得到的計算結果總是一種比較粗略的估計，過分地追求數值上的精確是不必要的。在橋梁抗震設計中，工程師們應日益重視“概念設計”與“能力設計”思想，把基于強度的設計方法逐步轉變到基于位移和延性的設計方法，將減隔震設計和構造設計納為抗震設計的重要組成部分。endprint

2 橋梁抗震設計中應注意的問題

在橋梁進行抗震設計之前，都應搜集該地區發生過的地震記錄，地質構造特征、水文地質情況，然后確定抗震設防等級。根據設計要求，選擇橋梁的線形和結構形式，確定設計理想塑性鉸的位置，然后進行結構內力變形計算分析，確認可行后還要進行減隔震設計，最后制定橋梁在地震中的應急預案措施。在整個設計過程中，應注意以下問題：

（1）在沒有特殊要求下，橋軸線最好設計成直線，曲線橋梁在地震中的響應相對復雜；橋軸線盡可能與河道垂直，這樣橋梁受力簡單明確。

（2）對于跨越斷層等不良地質的多跨橋梁，盡量選用簡支體系，這樣不會出現一跨倒塌引起的多跨倒塌。

（3）如果河流兩岸基礎條件良好，并且兩側邊坡存在潛在地質災害，建議采用拱橋結構。

（4）山區橋梁應盡量避開泥石流等地質災害多發區，加強橋梁附近山體邊坡防護。

（5）相比于墩柱，塑性鉸應設置在梁體上；如必須在墩柱上設置塑性鉸，盡量設置在墩頂。

（6）橋梁的基礎避免設置在地震中易發生液化的地基上，防止基礎破壞引起的全橋垮塌。

（7）墩柱配筋設計中可適當減小螺旋箍筋間距，以增大柱的抗彎性能和延性。

（8）適當增大蓋梁和橋臺斷面使梁端有足夠的支撐面，避免發生落梁。

3 橋梁抗震加固及構造措施

橋梁抗震加固的首要目的是防止橋梁垮塌，因為橋梁一旦垮塌，將會造成嚴重的生命財產損失，交通中斷維修救援物資無法及時到達，所以橋梁的抗震加固主要是墩柱的加固，這也契合了“強柱弱梁”的設計思想。其次還包括上部結構加固、支座加固和基礎加固等。現今，針對橋梁各個部位的抗震加固主要有以下具體措施：

（1）橋墩加固。主要有鋼套筒包裹加固、纖維復合材料加固和增大截面加固等措施。鋼套筒加固和纖維復合材料加固都是將橋墩包裹起來，增大橋墩的橫向約束，減小橋墩的橫向變形，使塑性鉸的位置不會出現在柱身而是出現在柱端，從而防止了墩柱的倒塌。纖維復合材料相比鋼套筒有更高的強度和耐久性，并且簡捷易行，同時適用于圓柱墩和矩形墩，而鋼套筒加固一般適用于圓形墩。但是纖維復合材料價格昂貴，應用范圍還不廣泛，隨著其工藝的純熟和加工成本的降低，纖維復合材料加固有著更廣闊的應用前景。增大截面加固即擴大墩柱截面，提高其抗彎和抗剪承載力，減小墩柱的橫向變形，達到防止橋墩垮塌的目的。

（2）上部結構加固。主要為防止落梁，一般會在梁的側面、端面或伸縮縫的位置設置擋塊，擋塊與梁體之間、梁端與橋臺之間填充柔性材料，在地震可起到耗能的作用；或將梁體通過連桿與蓋梁錨固在一起，增加梁端支撐面寬度等。

（3）支座加固。采用減震、隔震的原理，將剛性支座換為具有耗能能力的支座，減小從地面傳遞到上部結構的地震能，起到保護梁體的作用。常用的減隔震支座有鉛芯橡膠耗能支座、板式橡膠支座等。

（4）基礎加固。增大基礎底面面積，減小基低應力；可以通過錨固措施將基礎與巖體錨固在一起，增強抗震穩定性；增大基礎埋置深度，基礎上部土層越厚，其抗剪承載力和穩定性越高。

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