橋梁抗震設計要點及減隔震技術的應用分析

胡迎新

（1.中南大學，湖南 長沙 410075；2.湖南中大設計院有限公司，湖南長沙 410075）

0 引言

橋梁工程是重要的基礎設施，是連接區域交通的生命線，一旦發生地震災害，橋梁結構受到破壞或倒塌，會引起一系列的次生災害，造成巨大的經濟損失。根據以往經驗發現，許多事故都是由于抗震設計不合理造成的，因此需要不斷完善設計規范，推出新的抗震技術，采用更高級別的抗震設防水準靈活應對不同類型的地震，做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

1 橋梁不同部位震害分析

1.1 上部結構震害

橋梁的上部結構主要包括橋面結構、承載結構以及支座。在發生地震災害時，如果橋梁結構遭遇的地震動超過了設防地震動，就會產生橋梁破壞。橋梁上部結構自身發生震撼的情況較少，主要表現形式為局部的屈曲破壞、連接部位損壞等，更多地表現為移位震害。大部分橋梁的上部結構和下部結構是柔性連接的，在強震的作用下，橋梁上部結構會發生縱向和橫向位移，如果位移較小，在震后恢復原位即可；如果位移較大，超過了有效支撐寬度，就會產生落梁問題，而且會造成二次傷害，如落梁時撞到橋墩破壞下部結構，這樣不但會影響災后救援工作，而且震后修復的難度比較大，所以要盡可能避免落梁震害的發生。除了移位震害之外，碰撞震害也比較常見，包括相鄰跨梁體碰撞、梁體與橋臺碰撞、橋梁間碰撞等。如果碰撞比較嚴重，可能發生倒塌危險。支座震害也不容小覷。在地震作用下，上部結構產生的力會通過支座傳遞到下部結構，如果作用力過大，就會造成支座損傷，但是能夠起到一定程度的保護作用。支座震害的主要形式有脫落、移位、自身構造破壞、錨固螺栓破壞等[1]。

1.2 下部結構震害

橋梁下部結構主要指橋墩、橋臺及基礎部分。如果橋梁墩臺發生嚴重破壞，便會引起橋梁倒塌，在短時間內很難修復，會造成巨大的經濟財產損失。在強烈的地震作用力下，鋼筋混凝土橋墩的破壞形式主要有彎曲破壞和剪切破壞。彎曲破壞是一種延性破壞形式，結構一般具有良好的變形能力。彎曲強度低于剪切強度，主要由結構抗彎性能控制，其破壞過程通常包括4 個階段，依次是：水平彎曲裂縫—結構受拉側縱筋屈服—保護層脫落，塑性鉸范圍擴大—縱筋屈服甚至被拉斷，內部混凝土被壓碎。經過分析研究發現，約束箍筋配置不足、縱向鋼筋連接不牢固等問題都會導致延性變形能力差，從而出現彎曲破壞。剪切破壞是一種脆性破壞形式，結構的剪切強度低于彎曲強度，主要由剪切性能控制，其破壞過程也可以分為4個階段，依次是：水平彎曲裂縫出現—斜向剪切裂縫出現—箍筋屈服并引起剪切裂縫增長—發生脆性剪切破壞。產生剪切破壞的主要原因有箍筋配置不足和縱向鋼筋過早切斷，相對而言，剪切破壞更容易產生嚴重后果，不易耗散地震能量，而且發生很突然，震后很難修復，所以要盡可能增強結構設計，避免發生脆性破壞。

框架墩是常用的橋墩形式之一，根據歷史經驗，框架墩震害主要有蓋梁破壞、墩柱破壞、節點破壞。鋼筋錨固長度不足、蓋梁負彎矩鋼筋過早截斷是發生蓋梁破壞的主因，墩柱破壞與普通墩柱破壞相似，節點破壞主要指剪切破壞。橋臺震害也比較常見，包括橋臺傾斜、臺身與梁體碰撞破壞、橋臺椎體護坡破壞。橋梁基礎震害主要表現為地基失效，尤其是在軟弱土層，相對于無樁結構，采用樁結構會提升軟土地區橋梁的抗震能力，但仍然會出現樁基彎曲、剪切等破壞。

2 橋梁抗震設計要點研究

2.1 防落梁設計

在防落梁設計時，應該根據落梁產生的原因進行針對性處理。根據相關規范，并結合設防地震動大小、墩身高度、結構跨度等綜合因素，設置足夠的墩臺支撐面寬度，能夠將上部結構位移限制在防落梁長度內。同時，要安裝合理的縱橫向約束裝置，一定程度上能夠限制梁體移位。混凝土擋塊是目前應用較廣的約束裝置，通常設置在橫橋內，能夠滿足變形需求。大多數橋梁都會在墩臺頂設置支座墊石，如果梁體脫落，那么墜落高度等于墊石高與支座高之和，增加了主梁折斷的風險，而且會造成巨大的沖擊力，所以在設計支座墊石時，應該使其在順橋向與墩臺邊緣保持齊平，從而降低梁體墜落高度，提升災后橋梁的通行能力。當橋梁相鄰墩高差較大時，橋梁整體質量和剛度分布不均，相鄰跨的動力特性相差較大，在地震作用下會產生非同向震動，應該盡可能使橋梁相鄰跨動力特性相近，控制相鄰橋墩側向剛度比，使剛度變化平緩，有效降低碰撞和落梁震害的發生[2]。

2.2 防碰撞設計

橋梁發生碰撞震害后，可能造成梁體、背墻的破壞，增加落梁的風險。為了避免碰撞震害的發生，可以通過加大設計間距的方式。當然，在復雜的作用力下，增大間距也未免會產生作用，有些部位的碰撞是難免的，如梁體和橋臺，可以通過設置緩沖裝置來避免或緩解撞擊。

2.3 防支座破壞設計

在橋梁結構體系中，支座是抗震性能相對薄弱的部位，如果自身強度不夠或者與上下部連接強度不夠，那么很容易產生各種破壞，而支座破壞會使橋梁結構傳力途徑失效，影響整體結構抗震性能，所以要充分重視支座的抗震設計。許多公路橋梁都設計了板式橡膠支座，直接放置在支座墊石上，然后主梁再落到支座上，三者之間缺乏有效連接，水平抗力主要依靠摩擦力。在汶川大地震后當地的橋梁支座脫落、移位問題就比較突出，需要采取必要的錨固連接措施，保證連接強度，避免支座被過早破壞，同時盡可能使用構造簡單、性能可靠的支座，也可以采用減隔震支座，使支座不再是抗震體系中的薄弱環節[3]。

2.4 防墩臺震害設計

發生地震災害時，橋梁墩柱將上部結構和自身所受到的地震力傳遞到墩柱中心，如果墩柱設計不合理，就很容易使墩柱破壞嚴重。根據以往經驗，許多橋梁墩柱震害都是由于鋼筋構造不合理導致的，如箍筋設置不合理、縱向主筋連接不牢、鋼筋錨固長度不夠等。在等截面橋墩中，基部截面的受力情況最復雜，彎矩和軸力最大，所以橋墩強度主要受基部截面控制。因此，在橋墩基部配置密集箍筋，有利于提高橋梁橋墩抗震能力。同樣，如果橋墩強度是由其他截面控制，那么也應該在相關控制截面設計箍筋加密。在墩臺抗震設計時，應該根據結構受力大小適當調整縱筋布置，即受力大的區域多布置、受力小的區域少布置，避免縱向鋼筋過早截斷，改變結構控制截面。在荷載作用下，截斷截面會率先產生破壞，因此要通過科學計算合理設計縱向鋼筋截斷位置。為了防止橋墩產生嚴重破壞，首先要采用合理的結構，選擇合適的塑性鉸區。其次，要提高非塑性鉸區強度，這樣能夠在強震作用下將塑性變形限定在塑性鉸區，加強塑性鉸區細節構造設計，保證其具有足夠的延性變形能力，同時要加強橋墩的合理化設計，提高抗剪能力，使抗剪強度大于彎曲強度，避免發生剪切破壞。由于結構形式不同，框架墩的抗震設計與普通墩存在差異。如框架墩橫系梁的設計不但能夠提高橋墩剛度和穩定性，而且可以合理分配地震力。通常情況下，橫系梁的強度要略小于墩柱。在強震作用下，塑性鉸要出現在橫系梁上，這樣可以進一步耗散地震能量，通過一定程度的自身損傷，可以保護主要構件。框架墩屬于超靜定結構，受力相對復雜，在抗震設計時需要進行細致分析，可以通過合理的節點配筋避免節點剪切破壞。橋臺后填土壓力變化是橋臺震害的主要原因，應該不斷優化設計方案，盡可能避免梁體與橋臺的碰撞，并且加強臺身構造設計，提高臺后填土質量，這樣可以有效防止發生橋臺震害。

2.5 防基礎震害設計

地震的發生具有一定的復雜性和隨機性，目前尚不能準確預測發生地震的位置，但是必須科學進行工程選址，保證地基及一定區域的地層具有一定的強度、剛度、穩定性、抗滲性。加強對各種地質缺陷的分析，考慮建設地區的地震烈度，盡可能避免在高烈度地區建設，盡量避開斷層裂谷邊坡，加強地基加固處理設計，通過換填、夯實、預壓、振沖、注漿等多種方式，減少震陷危害的發生。樁基礎的震害具有較強的隱蔽性，在震后難以準確評估而且不易修復。根據相關調查發現，軟土地基中的樁基礎震害主要是由于構造不當或強度不足導致的，所以在樁基礎設計時，必須保證設計強度能夠滿足工程需求，樁與承臺連接可靠，深入穩定土層的長度必須足夠，能夠得到有效的支撐。

3 橋梁減隔震技術應用

3.1 減隔震技術概念內涵

抗震設計主要通過合理的結構設計和細節構造措施保證橋梁整體安全，允許地震能量傳遞到結構中，難以避免會產生結構構件損傷，而且后續的修復費用較高，所以必須積極尋求更為有效的抗震手段。減隔震技術是減震技術和隔震技術的總稱，屬于被動控制技術中的一種，發展相對成熟，應用較為廣泛。減震技術是在結構中安裝具有特殊性能的特制裝置，當發生強震時，該裝置能夠率先進入塑性，產生較大的阻尼，從而有效消耗地震能量。隔震技術是通過安裝隔震裝置將結構與地面運動隔離開，這樣能夠減少地震能量進入結構中。通常情況下，會將兩種技術聯合應用，在合適的位置安裝減隔震裝置，能夠合理控制結構內力分布，通過阻尼耗能和隔震雙重作用，達到減隔震目的，提升整體抗震性能。隨著抗震規范的不斷更新，橋梁抗震已經由單一設防水準發展為兩級設防水準，減隔震技術的應用也將越來越廣泛[4]。

3.2 減隔震技術應用原則

3.2.1 應用條件

減隔震技術已經經過了理論和實踐的考驗，能夠有效減小震害損失，但并不是任何情況下都可以應用，所以首先要全面了解橋梁工程的具體情況，然后通過分析計算判斷是否適用減隔震技術，最后進行減隔震設計，充分重視連接和防護構件設計，保證減隔震裝置能夠有效發揮作用。通常情況下，基本周期短、橋墩矮的橋梁可以采用減隔震技術，有利于延長結構周期、減小地震響應。建設場地條件好，以堅硬土或巖石為主的也可以采用減隔震技術，有利于避開能量多的高頻地震動。對于橋墩高度差大、剛度不均勻的情況，采用減隔震技術能夠調節各橋墩剛度，使地震力均勻分布于各橋墩。相反，橋梁基本周期長、場地處于軟弱土層、橋梁支座出現較大負反力、結構位移限值較小等情況就不適合采用該技術，會產生一定的負面影響。

3.2.2 設計要求

隔絕地震動和提高結構耗能能力是減隔震設計的重點，不能盲目追求延長結構周期，應該選擇構造簡單、滿足要求、性能可靠的減隔震裝置，不能影響正常使用。當橋梁結構出現緩慢變形時，裝置應該產生比較小的抗力，減隔震裝置應該具有較強的自復位能力，能夠在地震后基本恢復原位。在高烈度地區，減隔震設計應該結合增加結構阻尼和延長結構周期進行。當相鄰橋墩場地條件差距較大或者剛度差距較大時，減隔震裝置設計抗力需要與橋墩所受地震作用相匹配。減隔震裝置應該具有較大的初始水平剛度，保證在外力作用下不會產生有害震動和太大變形，在地震作用下能夠保持良好的豎向支撐能力。通常情況下，減隔震裝置會設置在橋墩頂部，可以用減隔震支座替代普通支座，這種方式操作簡單而且經濟實用。科學的減隔震設計不但能夠降低地震作用，而且可以合理分配地震力，通過調節裝置剛度，能夠適度調整橋墩承擔的地震作用力，防止剛度大的橋墩承擔太大作用力，同時減小基礎條件差的橋墩承擔作用力。另外，充分重視橫橋向減隔震設計，使橋墩間橫向剛度更加協調，能夠減小橫向位移差導致的梁體扭轉，從而降低結構的橫向響應。

3.3 常用裝置

良好的減隔震設計應該充分考慮多種因素，采用合適的減隔震裝置，并且注重細節設計，保證減隔震橋梁抗震性能和動力特性良好。常用的減隔震裝置分為隔震耗能裝置、隔震裝置、阻尼器或耗能裝置。其中，隔震耗能裝置主要有高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座，同時具備耗能和隔震兩種能力。隔震裝置主要有滑動支座和橡膠支座，而阻尼器或耗能裝置可以分為位移型、速度型及其他型，能夠增大結構阻尼、耗散輸入結構的能量。當然，每種減震隔震裝置都有一定的優缺點和適用范圍，需要根據實際情況合理設計選用[5]。

4 結語

綜上所述，地震災害會造成大規模的人員傷亡和經濟損失，破壞各種工程設施，所以建立安全、可靠、經濟的抗震設計體系一直是重難點問題。隨著橋梁抗震設計規范的不斷升級，需要不斷調整抗震設計理念，明確抗震設計目標和要點，并積極利用先進的減隔震技術，提高橋梁整體的抗震性能，減少結構破壞和功能損失。