公路橋梁設計與抗震優化研究

戴光亞

（華設設計集團股份有限公司，江蘇南京210000）

0 引言

作為我國交通行業的重要樞紐工程，公路橋梁是基礎建設中的重中之重。我國在公路橋梁建設方面投入巨大[1]，其中，抗震及減、隔震一直是橋梁設計的重點，其目的是全面提升公路橋梁的穩定性和安全性，降低災害的發生。一旦公路橋梁的抗震或減、隔震設計存在不科學的情況[2]，輕則導致工程失敗，重則直接破壞橋梁工程，給人民的安全帶來巨大危險，甚至造成人員傷亡。所以，針對以上情況，本文探究了公路橋梁設計中的抗震與減、隔震技術，具有一定的現實意義和基礎。

2 公路橋梁結構的震害及原因分析

地震對橋梁結構的影響是比較大的，容易導致橋梁結構損壞，使橋梁的質量和安全性無法滿足相關標準。在實際工作中，需要加強對橋梁結構抗震設計和防護的重視，且需要了解橋梁結構出現震害的原因。橋梁結構震害包括橋梁振動、場地相對位移變化、產生強制性變形等[3]。在場地運動的引力下，會引起橋梁結構的振動問題。場地的位移也會引起橋梁振動，形成了超靜定內力，使橋梁結構出現變形，在地震的作用下，橋梁結構還會受到不同程度的破壞，出現如橋墩開裂、傾斜等情況，很難有效保障橋梁安全。由于地震的破壞形式不一致，所以對橋梁結構的破壞程度也存在一定的差異。地震發生后，橋梁會出現位移，對其各個節點造成嚴重影響，節點的承載力和角度從而發生變化，會使橋梁本身出現相互碰撞的問題。一部分橋梁還會整體隆起，這主要是由于地震使得橋梁地基周圍土質發生變化導致的。此外，支座和橋墩彎曲，也是橋梁震害常見的表現形式。在實際工作中，技術人員需要從多方面入手，加強對橋梁結構抗震設計的優化力度，設置安全防護措施，提高設計效果和水平。

2.1 工程案例

2021年5月22日，青海省果洛州瑪多縣發生7.4級的地震，對該地區的基礎建設，尤其是交通橋梁造成了巨大破壞，圖1 為野馬灘大橋坍塌現場。

圖1 野馬灘大橋坍塌現場

由圖1 可見，距離震中7km 的野馬灘大橋破壞嚴重，橋面多處發生斷裂。已有文獻表明，青海當地橋梁設計的地震烈度為8 度，該次地震烈度并未達到橋梁地震烈度的設計值，但橋梁卻發生了坍塌。本文將圍繞該工程問題分析地震發生時，橋梁的震害措施。

2.2 橋梁上部結構的震害

我國是一個多山的國家，發生地震災害的情況較多。地震對橋梁造成的損壞，一部分表現在橋梁的上部結構中，如橋梁出現位移、水泥掉落、支座損壞等，都會造成橋梁整體結構的損壞。其中，墩柱和蓋梁的損壞帶來的影響是最為嚴重的。

現如今，隨著我國建筑技術的發展，在公路橋梁建設工程中，上部結構的抗震措施已逐漸完善，但不能抵抗所有級別的地震。當出現特大級地震或地震伴隨其他自然災害時，公路橋梁會出現毀滅性破壞。由汶川地震所引發的社會災害就可以看出，在地震慣性作用下，梁體碰撞會導致橋梁錯位。

地震災害帶來的復雜作用是強烈且明顯的。所以，當公路橋梁受到地震作用時，橋梁體制架會在第一時間出現破損，這不僅嚴重破壞了公路橋梁上部結構的完整性，也會帶來不可預估的損失。所以，在現今的公路橋梁建設中，應極度重視項目結構的穩定性，以期將橋梁的上部結構和構件連接部分的傷害降到最低。

2.3 橋梁下部結構的震害

橋梁下部結構震害的常見表現是傾斜、開裂或是混凝土橋墩下部鋼筋出現燈籠狀變形，導致施工土地出現崩裂。常見的單向傾斜和八字開裂，主要是由于各個樁基的連接處存在一定的偏差而導致的。

2.4 地基基礎的震害

橋梁工程中最重要的組成部分，是下部結構的基礎工程。良好的地基環境是橋梁整體安全性的前提和保障。發生地震時，最常見的基礎病害是土體液化，土體失去了原有強度，導致穩定性降低，橋梁上部結構遭到破壞。同樣，地震帶來的劇烈橫向波動也增加了基礎的橫向作用，導致基礎被破壞。圖2 為日本昭和大橋因砂土液化而發生坍塌的現場。

圖2 日本昭和大橋因砂土液化發生坍塌

3 公路橋梁抗震的設計要點

3.1 公路橋梁的設計要點

在公路橋梁工程建設中，抗震設計是重中之重。設計時應符合國家制定的相關標準，因地制宜地設計出與當地地形條件相適應的橋型。設計前，應做好勘探工作，越過不良地質，降低基礎被破壞的可能。

相關文獻表明，橋梁的基礎選址要注重場地的堅硬程度，越堅硬的土質，越能防止土體在地震作用下液化，抗震效果也就越好。

3.2 提高結構和構件的強度和延性

公路橋梁結構振動，是地震對橋梁造成破壞的主要方面。基于此，在進行抗震設計時，必須盡可能降低地基傳入結構的振動能量，同時要確保橋梁結構具有足夠的強度。

地基土在地震作用下將振動傳入橋梁結構，結構中的各個部位會在振動作用下發生位移或較大變形。當結構的延展性不足時，微小的變形也會導致斷裂，橋梁結構體系也會因此遭到破壞；當構件的延展性足夠抵抗結構變形時，橋梁就具有了一定的安全儲備，可靠度提高。因此，要不斷加強建筑材料的延性，以此來抵抗地震作用。

3.3 橋梁的減震、隔震設計

在橋梁整體的抗震結構設計中，減、隔震技術主要包括兩個方面：減震和隔震。

在現代公路橋梁建設中，應用減、隔震技術的目的，是在最大程度上將橋梁結構與地面運動分離開，為了達到這個目的，可以延長結構的基本周期。如圖3所示，地震振動頻率會隨著結構周期的延長而減小，延長結構的基本周期就是在降低地震對結構的危害，盡可能減少地震集中的位置。該方法雖然有效降低了地震對結構的作用力，但結構基本周期的延長，也意味著結構位移的增大。

圖3 加速度反應譜

為了避免位移過大，應在橋梁結構中增加阻尼裝置。一旦發生地震等威脅橋梁結構穩定性的問題時，減震裝置可以將地震力吸收、轉移，以達到減震的目的。隔震是通過對結構設計的調整與優化，借助振動周期將振動所產生的能量的沖擊力降低并分散，進而阻隔振動對橋梁結構穩定性的影響，如圖4。

圖4 位移反應譜

3.4 體系的整體性和規則性

確保橋梁上部結構的連續性，可在地震發生時有效避免結構構件及非結構構件在振動過程中散落，使建筑結構在地震中充分發揮其抗震作用。在設計之初，要充分考慮到設計尺寸和實際情況，保障建筑的質量、韌性，防止突發事故的發生。

4 公路橋梁抗震優化措施

4.1 橋梁上部架構抗震設計優化

落梁也是非常常見的震害。為避免這種情況發生，現在的主要做法是加強橋梁的上部結構，對其整體性進行限制。這樣做的目的是當橋梁發生災害時，能夠提升橋梁上部結構的抗震能力。具體的優化措施如下：

其一，固定梁體底部，減小梁體的位移?？刹捎眉愉摪寤蛘邫M（縱）向位移約束裝置進行固定，混凝土擋塊和拉桿是較常用的約束裝置。

其二，注重橋梁上部和下部結構的連接位置，可采用強度較高的錨栓連接。

其三，梁端與墩臺帽的距離、梁端與蓋梁邊緣距離、掛梁與懸臂的搭接長度等，都要滿足設計要求。

其四，當橋梁跨度過大時，不宜采用簡支梁，建議采用連續梁，以減少伸縮縫。

4.2 橋梁下部結構抗震設計優化

我國在公路橋梁建設方面的技術水平已處于世界前列，因此，對于橋梁墩柱的設計，除了要考慮結構的安全性，還要考慮其是否美觀、經濟。目前，我國橋墩的主要形式是圓柱形、花瓶墩形和方形。

減、隔震體系的主要作用是消散地震的能量。支座連接上部結構和下部結構，因此可以通過支座的變形來消除地震帶來影響，下部結構可采用彈性理論進行結構設計。調查、研究發現，采用不同的理念來設計結構是最為經濟、合理的，不同地區的結構設計應根據當地的地形、地質情況來確定。表1 是不同條件下所采取的墩柱設計。

表1 墩柱在不同地區的建議設計理念

4.3 引進新型橋梁的抗震設計方法

在以往的抗震設計中，我國基本采用的是以提高結構的整體強度或增強結構延展性的方式，來保障橋梁結構的抗震能力。但不同類型的震害帶來的破壞不同，因此要針對不同的情況采取措施。由于我國是多山國家，不同地區的地震影響與橋梁的抗震能力都很復雜，因此，要不斷更新和補充抗震設計技術，學習國外先進的抗震技術，不斷提升材料的性能?，F如今，我國廣泛采用鋼混凝土結構來實現對建筑的保護和結構的穩定，該結構能進一步提升承載能力和抗震能力，提升應災能力，保護人民的人身和財產安全。

5 結論

以實際震害橋梁為研究基礎，重點分析了橋梁受到破壞的原因；總結了地震中常見的橋梁破壞形式，分別從上部結構、下部結構和基礎結構三個方面進行分析；確保橋梁上部結構的連續性，可在地震發生時有效避免結構構件及非結構構件在振動過程中散落，使建筑結構在地震中充分發揮其抗震作用。

由于我國復雜的地理面貌，我國在工程建設中的各個環節都非常復雜、艱難，橋梁也面臨著諸多病害，其中震害最為嚴重。未來，對建筑抗震的研究將著重于設計階段的結構預防，尤其是對于地裂縫、跨近斷層等地質條件復雜的地區。除了設計階段的預防，也要注重震后的及時修復，盡快恢復交通運行，保證橋梁的穩定性。而隨著大數據、人工智能的興起，將有更多的高精尖技術被應用于工程中，預測、分析震害的發生，優化震害的設計，讓我國的公路橋梁具備更好的防震、抗震功能。