公路橋梁抗震設計中存在的問題及改進策略

溫志劍

（江西省交通設計研究院有限責任公司，江西 南昌 330052）

0 引言

在地理位置等復雜因素的影響下，我國很多地區地震災害頻發，對于公路橋梁工程抗震性能提出了巨大考驗。我國橋梁建設發展迅速，在公路橋梁項目建設中已逐漸產生諸多高新技術類型，施工工藝水平顯著提升，但在地震發生時，公路橋梁工程垮塌事故依然屢見不鮮。根據調查研究發現，影響公路橋梁工程的抗震性能影的素很多，包括抗震性能設計水平、施工工藝技術等。抗震設計水平對橋梁建成后的實際抗震性能會有明顯影響，因此亟需對公路橋梁抗震設計中的常見問題及優化對策進行深入探究。

1 橋梁抗震設計

1.1 抗震設防標準

通過對現行的公路橋梁抗震設計規范進行分析，對于抗震設防標準，僅進行簡單的定性描述。本文對公路橋梁抗震設防標準進行系統性闡述，具體如下。

（1）綜合考慮地震動背景，對于公路橋梁抗震設防水準可分為3 種類型：①設防水準I，地震重現期25 年，50 年超越概率63%，即“小震”。②設防水準Ⅱ，地震重現期475 年，50 年超越概率10%，即“中震”。③設防水準Ⅲ，地震重現期2000 年，50 年超越概率3%，即“大震”[1]。

（2）通過對地震破壞程度進行分析，橋梁工程抗震性能可設定三種目標：①性能目標I，在不修復的情況下依然不影響使用，保持良好彈性狀態，即“不壞”。②性能目標Ⅱ，局部可出現輕微性損傷，進行簡單修復處理后則不影響使用，保持良好彈性狀態，即“可修”。③性能目標Ⅲ，保證不坍塌，只需采用臨時性加固措施，依然能夠滿足應急使用，即“不倒”。

（3）為了提升橋梁工程抗震設計水平，確保能夠達到抗震設防目標，將梁體截面劃分成纖維單元開展數值計算工作，需要繪制出墩柱截面彎矩——曲率的曲線，同時還需制定驗算準則[2]。對于驗算準則，可分為三種類型：①驗算準則I，即M

1.2 結構抗震概念設計

在公路橋梁工程抗震設計中，相比數值設計，概念設計尤為重要，然而很多設計人員對于橋梁抗震概念設計不夠重視。在公路橋梁結構體系總體布局上設計人員更注重于墩高以及支座設計。橋墩高度對墩底彎矩影響大：①墩高會對結構基頻產生直接影響。②墩高對上部結構剪力、墩頂水平力的力臂產生直接影響。③墩身質量對墩底彎矩產生較大影響[4]。

1.3 結構抗震數值分析

（1）地震動作用輸入方向及組合工況。作用本身相對復雜，作用形式多樣，主要有水平向作用和豎向作用。在進行抗震分析時，需要結合相應要求以及經驗對水平作用以及豎向作用進行重點分析[5]。在豎向作用分析中，可使用與水平作用相同的輸入參數，峰值選取上，豎直作用峰值取水平方向的0.5 倍。歐洲規范將周期作為依據，如表2 所示，目前國內橋梁抗震取2/3。

表2 Eurocode8 建議豎直與水平峰值比

水平地震作用輸入本身不確定性明顯，所以需要關注地震力之間的效應組合情況。結合AASHTO 規范，工況組合如下：①在LC1 首個垂直方向力效應的絕對值的100%，與第二個垂直向力效應絕對值的30%組合。②在LC2 第二個垂直方向力效應絕對值的100%，與第一個垂直向力效應絕對值的30%組合。

在國內橋梁工程抗震設計中需對兩個方向的水平力進行準確計算，同時各自與豎直荷載進行組合。

（2）對三種數值分析方式進行對比，結果如表3所示。

表3 三種分析方法的主要區別

選擇某橋梁作為研究對象，在該橋梁構件截面地震內力計算分析中，分別采用前面所述方法計算，獲得結果，如表4 所示。

表4 三種方法得到的地震力

1.4 結構抗震構造設計

在公路橋梁工程抗震設計中，需特別注重總結震害分析經驗、概念設計經驗以及定性研究成果。在我國新編的《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01—2020）中已針對公路橋梁結構抗震結構設計提出技術要求。

2 橋梁抗震設計中的問題

目前，抗震設計不斷完善標準，隨著經驗積累增多，設計質量也明顯提升。但是，由于種種原因，目前很多橋梁的實際抗震性能依然不符合預期，對于設計中的各種問題必須加強關注，妥善處理。

2.1 橋梁選址不當

公路橋梁橋位選址要求綜合考慮各種影響因素，包括地質、水文、通航、行洪、征地拆遷補償、各類管線等。由于制約因素多，如橋梁選址不當則會顯著增大項目的建設和運營風險。

2.2 上部結構易發生扭轉、位移

橋梁結構中墩臺、支座等結構均可發揮隔離作用，發生地震時公路橋梁上部結構一般不會發生嚴重的破壞問題，但下部結構的破壞問題就顯得格外突出，如公路橋梁墩臺部位相鄰梁之間發生碰撞，導致梁端受到擠壓而破壞、地基失效，導致上部結構受到破壞。

2.3 下部結構易發生開裂、變形

在地震發生后，橋梁下部結構易遭到嚴重破壞。地震作用不僅造成公路橋梁地基受到破壞，在水平地震力作用下，橋梁墩臺以及基礎均會遭受一定損傷，如果情況嚴重則有較大的橋梁坍塌風險。

2.4 支座的底部應力平衡能力不足

在公路橋梁支座底部結構中，如果所用材料質量不符合要求，就難以保證最終橋梁成品質量。支座是需要承重的橋梁支撐系統，出于保證這一結構在面對地震危害下保持穩定性考慮，需嚴格依據設計意圖組織施工，保證支座結構之間連接牢固有效，避免在地震中導支座結構產生大的變形。

2.5 橋梁附屬設施的破壞

公路橋梁附屬構造如設計不合理，在發生地震地災害后，伸縮縫、搭板、橋面系均可能會遭到破壞，對公路橋梁的其他構件造成不同影響。在進行橋梁抗震設計時，需將橋梁上、下部作為整體，各個構件的抗震性能發生相互影響。為了提升公路橋梁的抗震性能，秉持先進的設計理論，選擇適宜的結構類型。

3 橋梁抗震設計優化對策

3.1 選擇適宜的建設場地

公路橋梁項目建設前，應當選址在抗震性比較好的場地。首先，對公路橋梁結構施工要求進行分析，選擇有利場地，避免在危險地段組織施工；其次，在實際施工中應當注意避免地震周期接近在建項目的自振周期，以避免產生共振現象而造成橋梁結構的破壞。

3.2 橋梁上部結構的抗震措施

首先，對于簡支梁，可采用連續梁替代，盡量減少設置伸縮縫，避免發生落梁風險；其次，在預應力混凝土公路橋梁工程上部結構抗震設計中，可應用真空灌漿施工方式，提高公路橋梁結構剛度以及強度，改善橋梁抗震性能；最后，在拱橋上部結構抗震設計中，對于主拱圈可采用框拱、拱板等形式，為提升拱橋上部結構抗震性能，可提高主拱圈扭轉剛度，拱肋可應用鋼筋混凝土結構，加強肋間的橫向連接。

3.3 橋梁下部結構的抗震措施

橋梁下部結構起到支撐作用，該部分關系到結構整體抗震能力，在設計時需要引起關注。橋臺截面如果設置為T 形或U 形，能夠起到較好效果。重力墩柱的施工方式便捷，并且抗震性能比較好，也可降低橋梁施工成本。因此，實際工作中，應當推廣應用U 型橋臺或者T 形截面橋臺，據此提升施工便捷性，同時對施工成本進行有效控制，改善公路橋梁的抗震性。在公路橋梁底座結構設計中，應當改善橋墩延性。公路橋梁橋墩分為空及實心兩種類型，其中空心截面的延性比較好。

3.4 選擇合適的橋位、橋型和孔徑

在公路橋梁橋位設計方面，應當注意規避危險地段，并選擇有利地段。公路橋梁中線與河流正交，在發生地震災害后河岸可能會發生變遷，其作用力對橋梁的負面影響不大。如果采用斜交設計方式，則在發生地震災害后河岸可逐漸向河心方向發生移動，可造成公路橋梁發生扭轉破壞。在幾何線形方面，應當盡量保證公路橋梁處于直線上，避免在發生地震時反應過于復雜。

3.5 支撐連接構件抗震措施

墩臺頂帽要注意防止發生落梁問題，為避免支座結構發生位移需增加縱向擋塊及橫向擋塊。另外還可采用橡膠支座，提升支座結構穩定性。對于不利墩，還需聯合應用減震隔震措施，如安裝塑性鉸、橡膠支座等。

3.6 橋梁延性抗震設計

為提升橋梁工程構件的延性，要求確定延性量化分析的各類指標，為公路橋梁整體結構抗震設計奠定基礎。在鋼筋混凝土橋梁工程抗震設計中，應當選用延性構件，將橋梁工程基礎結構、梁體以及蓋梁作為橋梁工程能力保護構件，對墩柱結構的抗剪強度進行嚴格控制。在橋梁工程延性設計中，要求對延性需求以及延性能力進行細致化分析，并應用能力設計方式，改善橋梁工程結構抗震性。

3.7 橋梁減隔震設計

為了避免地震對公路橋梁工程各類構件造成損傷，在抗震設計中需應用結構控制技術，如通過采用塑性變形方式，快速消耗由于地震所產生的大量能量，避免橋梁發生倒塌事故。例如，在橋梁工程結構設計中，可應用耗能支承結構，提升橋梁工程結構安全性和穩定性，同時還可減少項目建設成本投入量。

4 結語

綜上所述，本文主要對公路橋梁工程抗震設計方法、設計中的一些不足以及可以采用的優化對策進行了探究。隨著交通建設進程不斷加快，橋梁建設如火如荼，在橋梁工程設計中，必須提升橋梁工程抗震性能，保證橋梁工程結構穩定性。但是，目前橋梁抗震設計需要進一步提升嚴謹性。對此，要求對抗震設計方式進行優化創新，并進行針對性改進，提升橋梁工程項目建設效益。