公路橋梁結構抗震設計要點分析

吳小念

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

橋梁通常是作為軌道的核心控制項目而建的，一旦損壞或塌陷為軌道的核心節點，就會直接麻痹線路所在的線路，其重要性不言而喻。如何使橋梁正常履行其工程職能，特別是其承受極端條件的能力，是橋梁設計者應考慮的最重要問題。地震是常見的自然災害之一，對工程師來說也是不利條件。地震是突然發生的，其特征是強大的破壞力和廣泛的破壞面積。沒有目標設計，橋梁將無法承受災難的破壞，并可能失去其使用能力。1976 年唐山地震造成的破壞震驚了世界，并給橋梁研究人員提出了新的問題。在國家的大力支持下，中國的橋梁地震研究已經取得了數十年的豐碩成果，與國外基本處于同一水平線上。

1 橋梁地震破壞機理

通過對地震破壞橋梁的損傷識別分析的結果，可以看出，由側向地震波引起的橋梁各部分之間的壓縮和碰撞導致的破壞是橋梁地震破壞的重要原因。眾所周知，橋由連接在一起的幾個部分組成。當橋梁承受強大的側向力時，諸如軸承和橫向鉸鏈之類的連接部件會導致橫梁向側面移動并與相鄰橫梁發生碰撞，從而損壞接頭。橋面鋪面被損壞，橋區因沖擊而損壞，從而導致嚴重的光束下降和橋梁運輸功能的喪失。另外，地震使下面的土壤松散，破壞了基礎并失去了支撐功能。

2 常見的橋梁地震破壞

根據國內外對地震災害的研究，發現如果地震地區的橋梁倒塌，會對救災渠道造成巨大阻礙，并且在災后還要對其進行修復。研究橋梁結構發現地震破壞并找出其緣由，可以做出準確的地震設計的內容和防震的對策。因此，研究橋梁結構在先前的破壞性地震中的生存或破壞可以優化橋梁設計并改善施工方法。典型的橋梁地震破壞包括：

（1）主梁的地震破壞在最初的破壞性地震中，最嚴重的現象是梁的跌落，并且該梁在橋梁方向上的跌落大于橫向。主梁地震破壞主要是自震破壞、位移破壞、碰撞破壞等。

（2）支撐件的地震破壞，在防震過程中忽視支撐物的重要作用，沒有科學地設計連接橋梁，則支撐物容易移動或掉落，并可能引起諸如落梁之類的損壞。

（3）基臺的地震破壞移動基臺位置時，樁基會同時移動、破裂或斷裂。

（4）地基地震破壞，土壤滑移和砂土液化是地基膨脹和樁基地震破壞的主要原因。樁基會導致彎曲和剪切破壞，這主要是由于上部結構和設計傳遞的慣性力造成的。

3 橋梁地震研究現狀

根據橋梁本身的特點和橋梁地震的破壞機理，橋梁的地震研究主要集中在以下幾個方面：

（1）橋梁混凝土材料損傷本構模型。混凝土材料的研究是橋梁研究的重要方面，尤其是抗震性。實際上，地震的作用將使橋梁受到強大的外力干擾，位移將超過極限，從而導致結構損壞。根據混凝土材料的特性，建立了對應于彈性模態和塑性模態的兩種構造模型進行分析。

關于彈性損傷模型，專業人員通過引用兩個實驗測量的損傷變量建立了彈性損傷模型。也就是說，對于同時具有彈性變形和塑性變形材料的彈性塑性損傷構造模型，技術人員提出了基于連續損傷的應力-應變模型，提出了構成混凝土的純粹憑經驗的非彈性損傷。從理論上講，吳建英等人介紹了損傷能量釋放率的概念。這些模型對于研究塑性破壞階段混凝土材料的破壞行為非常有用，但是并不能消除由于破壞而導致的材料特性變化所引起的誤差。

（2）鋼筋混凝土墩的抗震性能及分析模型。墩是墩基礎的一部分，在壓力下具有出色的抗壓性，但是當受到地震影響時，墩可能會由于剪切力或塑性鉸鏈損壞而偏心，或者削弱了基礎土壤的穩定性?；谶@些破壞模式，技術人員研究了具有低縱向鋼筋比率圓柱的抗震性能，在軸向力和彎曲的相互作用下構造了墩的地震模型，并在這種情況下準確地計算了墩的非線性性能。

（3）橋梁結構地震分析理論與設計方法。橋梁的基于位移的抗震設計理論以位移為設計變量，根據區域和安全等級確定橋梁只能在特定區域位移，并根據該標準進行結構設計。相關技術人員最初提出了這種設計方法，后來橋梁工人對其進行了一定程度的改進，并建立了更加科學合理的理論。

在基于性能的橋梁抗震設計理論中，橋梁必須能夠承受一定程度的地震沖擊，并且不能超過可接受的破壞程度。主要意圖是以最低的成本獲得最佳的抗震效果。根據橋梁的等級和路線的重要性將其分類為重要性，并據此確定地震等級。

（4）橋梁防震技術。橋梁的主要減震隔離設施是減震隔離軸承，其與普通軸承的不同之處在于，具有良好的韌性，可以充分吸收地震力的能量而不會造成損壞，可以作為連續支撐。隨著材料科學的不斷發展和對地震破壞的全面理解，橋梁工人開發了一些性能優異、適用范圍廣的地震軸承，可歸納為以下兩類：疊層鋼板橡膠軸承；滑動摩擦式減震軸承。

（5）橋梁結構脆弱性分析。結構脆性是指零件在外力作用下達到或超過一定程度破壞的可能性，而本研究的目的是了解某種程度的地震所破壞的某種結構的破壞特征。該結構可以有針對性地得到加強。評估結構漏洞需要進行初步調查，數據處理和相互比較，以獲得更準確的結果。但是，這種分析方法有幾個缺點，例如不能準確地模擬地震破壞，橋梁性能恢復不足，無法研究不規則橋梁以及不考慮支撐物的張力。但是，由于現實的復雜性，尚未研究如何使用這些結果來優化地震設計。

4 橋梁抗震設計理論

與發達國家相比，中國橋梁的地震分析理論始于20世紀50 年代。針對以往地震破壞進行分析，我國借鑒了國外優秀的抗震設計要點以及技術，根據本國的具體情況進行仔細鉆研，使地震結構設計的水平得到了很大的提高，對抗震的設計方法也不斷創新，并進行了較為完善的研究，使抗震系統設計的實踐能力得到提高。

4.1 橋梁結構的地震系統

橋梁結構的地震系統必須具有清晰可靠的位移約束力，傳遞路徑和能有效控制位移，防止橫梁掉落并具有回避性能的耗能減震部件。由于某些橋梁部件（例如支撐和砌塊）的塌陷，具有塌陷結構的能力。

4.1.1 延性地震系統

通過對結構破壞的觀察，提出了延性抗震的概念。在實際的地震破壞中，已經觀察到缺乏結構強度并不一定會對結構造成嚴重破壞，并且只要結構的初始強度不會因非彈性變形而劣化并且基本上保持初始強度，就不會破壞結構。既有橋梁的彈塑性消能部分可以安裝在墩中，以達到地震系統的目的，并便于檢查和維修墩的受損部分。典型的連續梁橋和簡單的支撐梁橋是單柱墩，其消能部分位于墩底，而雙柱墩則是墩頂、墩底和綁梁端。因此，墩柱和系梁被設計為柔性部件，在彈性內而不會損壞部件。通常延性地震系統適用于大比例墩和橋梁的地震設計。

4.1.2 減震/隔離和地震系統

橋梁結構的地震系統將通過設置地震支撐，防止橋墩結構破壞?？梢栽O計合理的減震和絕緣軸承或耗能設備參數，以可靠地傳遞橋的上下連接部分，以防止嚴重損壞橋梁。

4.2 橋梁地震分析方法

4.2.1 靜態方法

靜態方法的設計通常不會考慮橋梁結構自身動力特性的影響，而橋梁結構地震破壞的唯一因素就是地震加速度。在設計過程中，僅考慮構件的結構靜態分析，并且將其視為絕對剛性的對象。如果無法將橋梁結構近似為絕對剛體，則靜態方法不會考慮結構的動力特性。因此，靜態方法非常有限，但概念簡單明了，適用于整體剛度較高的結構（如重力橋臺和擋土墻結構）的地震分析。

4.2.2 反應譜法

反應譜法將結構的動態問題轉換為易于理解且易于計算的靜態問題。響應譜法是該規范的基本地震分析方法，首先仔細分析橋梁結構本身的動力特性，然后使用譜線曲線記錄不同主要振動模式下強地震的地震響應最大值，最后記錄該最大值。在其他主要振動模式下的地震響應也需要完成，確定橋梁結構的最大地震響應值，而不能獲得根據地震而變化的地震。

4.2.3 動態時程分析方法

該方法主要將計算機程序、有限元分析和結構地震分析中的計算相結合。在應用時程分析方法時，通過有限元軟件將橋梁結構離散化成一個多節點，多自由度的有限元計算模型，地震加速度的時間和結構的地震響應必須通過有限元軟件傳輸計算，還需要進一步研究，并且存在復雜的理論，例如計算量大的特性和塑料鉸鏈。因此，該方法是橋梁長期地震分析的相對重要、復雜和推薦的方法。

4.3 橋梁抗震設計

在現有支撐的簡單橋梁結構的情況下，必須對橋面的連續結構進行加固，主梁的位移必須提供足夠的加固寬度以防止梁墜落，并且梁的寬度基臺和支撐的頂部必須適當加寬。并增加一個屏障裝置以防止移位。對于帶有橡膠軸承但沒有固定軸承的橋梁跨度，軸承的抗震設計要求增加防偏角或固定導軌。地震帶中的橋梁結構的跨度和剛度與每個連續跨度的下墩相同。如果彈簧跨度不均勻且剛度不同，則可能會造成地震損壞。如果每個基臺的高度明顯不同，則可以使用基臺頂部的支撐件和基臺頂部的襯套尺寸來調整每個基臺的剛度，以便盡可能保持基臺的位移。在地震帶中，橋梁的跨度不能太長，如果跨度較大，則柱會承受太大的軸向力，從而降低墩柱的延性。在高強度地區設計橋梁時，應縱向安裝某些能量消散裝置，例如使用收縮和隔離軸承，以通過柔性和阻尼連接結構之間的力來分擔梁、柱和水平橋的荷載。拱橋對支座的水平位移非常敏感，為此，需要動態支撐弧在地震帶。為了確保在地震期間同時激發每個支撐，必須將基座放置在整個巖石范圍內或相同類型的位置。

5 發展趨勢

地震對橋梁的破壞越來越嚴重，大多數遭受較大破壞和坍塌的橋梁結構是由落梁和彎曲延展性不足引起的。因此，期望在未來對該領域進行深入研究，并且延性抗震設計是被廣泛采用的設計理念，具有一定的先進性，可以有效地提高橋梁結構的抗震性能。將來，此方法將繼續應用和改進。

隨著橋梁設計技術和地震技術的發展，有必要考慮各種尺度橋梁位移的設計參數，并根據該參數確定橋梁的地震穩定性。隔震技術是橋梁抗震的主要技術手段。在橋梁的抗震設計中，將通過一項新的技術來證明抗震性能，該抗震性能可以最大化提高橋梁的剛度和抗震性能。

6 結束語

抗震設計作為橋梁安全設計的重要組成部分，經過多年的案例分析和學術研究，已形成了較為成熟完整的理論體系，并應用于實際工程中，取得了良好的預期效果。但是，由于技術和認知上的限制，抗震設計遠遠不能達到理想的效果，并且在某種程度上可以減少財產損失、人身安全和地震引起的常規干擾。這已成為我們對相關技術進行持續研究的原動力，也是橋梁學術研究發展的原動力。