城市橋梁結構設計問題分析研究

馬豪

摘要：本文圍繞城市橋梁結構安全、地震損傷有效控制、降低震災損失等方面，分析問題、總結方法，開展基于性能的抗震設計方法在城市高架橋梁工程的應用與推廣，為今后城市橋梁抗震設計和安全運行設計依據和參考。

關鍵詞：城市化；城市橋梁；結構設計；抗震設計

隨著城市化進程的快速推進，城市橋梁在城市交通中的地位愈發重要。因此，城市橋梁結構設計以及抗震設計成為重中之重。城市橋梁地震災害成因主要有兩方面，一是在地震中如果支承連接件不能承受地震對構件造成的相對位移，支承連接件就可能損壞失效。二是地震對橋墩和橋臺結構的破壞。早期的抗震設計只以結構不破壞倒塌作為設計目標，但地震對橋梁產生嚴重結構破壞后，一方面對城市交通產生嚴重影響，另一方面會造成巨大的經濟損失。現代橋梁抗震設防應采用性能設計原則，特別是要加強橋梁結構整體和提高鋼筋混凝土橋墩的延性能力。

一、城市橋梁抗震設計現狀

近年來，我國城鎮建設步伐不斷加快，城市道路橋梁設施發展迅速，截止 2013 年年底，全國共有城市道路33.6萬km、城市橋梁近6萬座。部分城市發生橋梁倒塌、路面塌陷等事故時有發生，從而暴露出城市道路橋梁設施質量水平、養護管理、安全隱患等諸多問題，更有城市橋梁設計壽命與實際使用壽命存在較大差異等不良現象。為了保障城市道路橋梁運行安全以及人民群眾利益，作為城市建設的參與者，應在工程實踐中不斷改進和完善橋梁抗震設計，進行積極有效的抗震構造措施設計，提高橋梁結構的抗震能力和耐久性，保證橋梁結構的使用安全和使用壽命。

二、城市橋梁的抗震設計

目前主要有兩種有效途徑來提高橋梁的抗震安全性能 ，一是提高橋梁結構本身的抗震能力，譬如提高橋墩的延性、樁基礎的強度等。延性抗震設計是通過提高橋梁的彈塑性變形能力，保證結構在地震中在設計的位置上形成塑性鉸或者一些構件的破壞，使結構整體具有免于發生倒塌的滯回延性能力，結構在地震中通過反復的變形耗散能量，并且適應地震中的變形以達到抗震的目的。二是采用減隔震方法，利用減隔震裝置耗散地震能量、延長結構周期，減小結構地震反應，從而提高結構的抗震安全性。減隔震抗震設計的本質和目的就是將結構與可能引起破壞的地面運動盡可能分離開來。要達到這個目的，可通過延長結構的基本周期，避免地震能量比較集中的區域，從而減低結構的地震力，但通過延長結構周期達到折減地震力會伴隨著結構位移的增大。為了控制結構的大變形可通過在結構中引入阻尼裝置，以限制結構的位移。為了達到以上的功能，就需要結構具有一定的柔度延長周期，一定的耗能能力降低變形以及一定的剛度和屈服力滿足正常使用。

三、城市橋梁構造措施設計

（一）橋梁基礎設計。

結合巖土工程勘察報告，對存在液化土層的地基，根據橋梁的抗震設防分類、地基的液化等級（液化土層深度和厚度），采取全部消除或部分消除、減輕液化影響的基礎設計形式。當采用長樁基時，應保證樁端伸入液化深度以下穩定土層中的長度；當采用深基礎時，基礎底面應埋入液化深度以下的穩定土層中（深度≥ 2 m）；當采用加密法或換土法處理時，在基礎邊緣以外的處理寬度，應超過基礎底面處理深度的1/2且大于等于基礎寬度的1/5。通過選擇合適的基礎埋置深度、調整基礎底面積、減少基礎偏心、加強基礎整體性和剛性、減輕荷載、增強上部結構的整體剛度和均勻對稱性等設計措施，提高橋梁結構基礎的抗震能力。

（二）橋臺抗震措施設計。

對淺基礎的小型橋梁，通過加強下部基礎支撐梁和河床鋪砌，使橋梁結構保持四鉸框架結構，以防止墩臺在地震發生時滑移。當地基條件允許時，盡量選用整體性強的重力式 U 型或空腹式橋臺。當臺身高度較高時，宜采用樁柱或肋板埋置式橋臺，加強和完善臺后防水和排水措施設置。

（三）橋墩抗震措施設計。

采用鋼筋混凝土結構，適當地加大樁、柱直徑或采用雙排的柱式墩和排架柱墩，樁、柱間設置橫系梁等連接措施，以便提高墩柱的抗彎延性和抗剪強度。在墩柱塑性鉸區域和緊鄰承臺的樁基適當范圍內進行箍筋加密。明確墩柱塑性鉸區域范圍，不應在塑性鉸區域進行縱向鋼筋的連接。塑性鉸箍筋加密區的長度不應小于墩柱彎曲方向截面寬度的1.0 倍或墩柱上彎矩超過最大彎矩80%的范圍。矩形箍筋應設置135彎勾，并伸入核心混凝土之內6ds以上（ds為縱向鋼直徑）。增加墩柱縱向鋼筋配筋率，墩柱縱向鋼筋之間的距離≤20cm，至少每隔1根宜用箍筋或拉筋固定。墩柱縱向鋼筋的錨固和搭接長度應在現行JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》要求的基礎上增加10ds。

（四）支撐連接構件抗震措施設計。

墩臺蓋梁頂面設置防止落梁措施，增加縱橫向抗震擋塊，以限制地震發生時支座過大的位移與滑動。正確選用橋梁支座類型。對重點設防類大型橋梁，必要時可采用抗震或減隔震支座，提高橋梁結構整體抗震設防的能力。設計選取伸縮縫時，應保證其變形能力能夠滿足預計地震產生的位移，保證伸縮縫支承面具有足夠的寬度，并設置限位器和剪力鍵。

（五）上部結構抗震措施設計。

在上部結構梁（板）底部加焊鋼板，采用縱橫向約束裝置限制上部結構位移。在梁與梁之間和梁與橋臺胸墻之間應設置彈性墊塊，以緩和地震的沖擊力。當采用多跨簡支梁結構時，應加強梁（板）之間的縱橫向連接，設置橋面連續，或采用先簡支后連續的結構構造措施。

四、結語

目前，橋梁抗震設計雖然已經取得一定成果，但仍存在諸多問題，因此，還需要相關專業人員，根據實際經驗、定性研究以及理論成果來構建合理的城市橋梁抗震設計方案，不斷深化、優化設計，從而保障橋梁結構具有安全可靠的抗震體系。由于技術的不斷發展革新，隔震、減震以及耗能技術已經逐漸開始應用到橋梁抗震設計中，并取得了一定的實際效果，積累了初步經驗，從發展的角度開看，隨著科學技術的不斷進步和發展，我們有能力、有必要深入研究橋梁抗震中的減震、隔震和耗能技術，從而最大程度的提高橋梁結構的抗震能力，為現代城市發展做出貢獻。

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