現時期公路橋梁設計及其抗震優化研究

樊康義

（云南行一工程檢測有限公司,云南 昆明 650500）

0 引言

我國幅員遼闊，地形復雜，多山脈、河流，地震災害較為多發，比如汶川地震、青海地震等，對人民生命財產安全造成了極大的損害[1]。復雜地形中公路橋梁眾多，因此，有必要加強對橋梁抗震優化的研究，研發出更有效、安全的設計方案，以保證公路橋梁的質量安全和強大的抗震減震性能，促進公路橋梁技術的進步。

1 公路橋梁結構的震害及原因分析

地震容易破壞橋梁的結構，使橋梁無法達到繼續使用的安全標準。在實際橋梁結構的設計中要了解橋梁出現震害的原因，重視橋梁結構的防護與抗震的設計。場地相對位移、產生強制變形、橋梁振動等都是影響橋梁結構的主要震害。橋梁所在場地的移動和位移，會造成橋梁結構的震動，使橋梁結構在超靜定結構內力的作用下出現形變。另外，在地震的影響下橋梁結構還會出現傾斜、橋墩沉降開裂、位移等不同程度的破壞，無法保證橋梁的安全使用[2]。地震破壞形式多樣，造成橋梁結構的損害程度及損害位置都是存在差異的。地震發生后地基的相對運動也會引起橋梁的位移，會使橋梁結構的各個受力點受到嚴重影響。受力角度和承載力大小也會因地震發生變化，使橋梁結構本身的受力出現相互碰撞等問題。地震后地基周圍的土質發生變化，還有可能引起橋梁的整體隆起。此外，橋梁震傷的表現形式還有橋墩支座的彎曲倒塌等。

1.1 橋梁上部結構的震害

地震對橋梁上部結構的損壞主要包括支座損毀、橋梁相對位移、水泥脫落等。這些震害也會造成橋梁整體結構的損害。橋梁上部的損害中對整體影響最嚴重的就是蓋梁和墩柱的損害。

我國地理環境復雜，不同地區的橋梁結構設計也有所不同，地震對橋梁結構的破壞作用是復雜且明顯的。當橋梁受到地震損害時，震害會首先破壞橋梁的體制架，使橋梁上部結構的完整性受到嚴重破壞，這不僅會對人類的生活造成影響，也會造成相應的經濟損失，因此在橋梁結構設計和建設中，應重點關注橋梁結構的穩定性，盡可能地降低橋梁上部結構的連接部分在地震時受到的傷害[3]。

隨著我國建筑技術的快速發展與完善，在橋梁結構項目的設計與建設中，已經逐步完善了橋梁上部結構的抗震措施，但是當發生特級地震災害時比如汶川地震，地震力仍會破壞橋梁上部結構的各個節點，使梁體互相碰撞，導致橋梁錯位變形，對橋梁造成毀滅性的破壞。

1.2 橋梁下部結構的震害

1.3 橋梁基礎震害

橋梁基礎是橋梁建設中最為重要的一部分，基礎的穩定牢固是橋梁整體安全的保證和前提。地震發生時，橋梁地基會在地震力的作用下出現土地液化、穩定性降低、沉浮不均等情況，這會直接導致橋梁的斷裂、下沉。地震引起橫向波動也增加了地基受到的橫向作用力，導致橋梁地基的橫向損害。

2 抗震設計基本理論

2.1 橋梁抗震設計概念

減隔震設計也就是我們所說的抗震設計。橋梁的設計要以安全性、耐久性、經濟性為原則，在橋梁的抗震設計中，要分析橋梁受到的震力和橋梁的抗震結構，合理設計橋梁結構，加固橋梁容易出現問題的部位，盡量減少地震發生時橋梁受到的損壞，使橋梁能夠滿足安全、強度、經濟等多方面規范要求。隔震設計與減震設計不同，隔震設計是為了在地震發生時，通過在橋梁結構上添加隔震設施，能夠有效地緩解地震釋放的能量，減緩震波的沖擊和破壞，使橋梁在地震中受到的破壞力減小，從而起到保護橋梁結構的作用。在橋梁的設計和使用過程中，耗能構件和阻尼裝置在減隔震關鍵設備中起到重要的作用。

2.2 抗震設計應用原理

2.2.1 結構控場

經過實踐經驗和對以往工程的總結分析可知，在公路橋梁結構的抗震設計中，結構控制技術的應用對提高橋梁結構的抗震性能有很大幫助。結構控制技術主要有主動、被動、混合控制技術三種。我們經常使用的是被動控制技術。它的技術原理就是經過精細測量橋梁結構的現場參數，設計出橋梁結構的優化方案，使橋梁結構在地震中受到的影響最大程度地降低。

2.2.2 結構延性控制設計

目前，我國公路橋梁建設技術日益成熟，在滿足橋梁結構的安全性、強度與高度的前提下，還應考慮橋梁建設過程中使用材料的適用性、經濟性、重復利用的可能性。為了降低地震時傳入橋梁結構中的能量，減小震波對橋梁結構的破壞，提升橋梁結構的強度和結構的延展性，在橋梁的抗震設計中起著關鍵作用。橋梁結構的延性設計，是以橋梁的塑性變形來抵消地震對橋梁的破壞，雖然使橋梁的整體變形增大，但橋梁結構內部的地震力卻減小了，公路橋梁在地震災害時受到的破壞被有效降低了，使橋梁在地震后，通過檢修能夠繼續恢復，減少財產上的損失和需要修復的時間。

3 抗震設計要點分析

3.1 橋梁減震隔震設計

橋梁結構的整體抗震設計中，減、隔震技術主要由減震和隔震組成。在公路橋梁的建設中，減、隔震技術最主要的目的是最大限度地把由于地震引起的地面運動與橋梁的整體結構分離開，為了這個目的的達成，可以延長橋梁結構的基本周期。如圖1所示，延長結構的基本周期可以有效地降低地震對橋梁結構的破壞，地震的震動頻率是隨著結構周期的變長而減小的。延長結構的基本周期雖然可以降低地震對橋梁結構的作用力，但是也代表著橋梁結構位移的增大。

圖1 加速度反應譜圖

在橋梁結構的設計中增加阻尼裝置，可以有效地避免橋梁位移過大。當地震發生時，減震裝置可以將地震的震力轉移、削弱，吸收，從而達到減震的目的。隔震是對橋梁結構的優化與調整，延長振動周期將振動所產生的沖擊力分散降低，進而降低地震對橋梁結構穩定性的影響，如圖2所示。

圖10為電壓補償后各變流器輸出電壓的仿真結果。由圖10可以看出,小擾動發生后,各變流器輸出電壓動態響應過程中超調量較小,響應較快,上下波動范圍不超過5 V,且輸出電壓穩定在額定電壓,滿足了負荷可靠供電的要求,保證了系統的穩定性,驗證了本文控制方法的有效性。

圖2 位移反應譜圖

3.2 合理選擇施工場地

公路橋梁工程建設中，抗震設計最為重要。橋梁的抗震設計要符合國家的行業規范及標準。橋梁抗震設計中橋梁施工場地的合理選擇，是保證橋梁抗震效果的前提，設計時要做到因地制宜，使設計出的橋型能夠完全適應當地的地形條件。在選擇施工場地時，要先做好場地的勘測工作，避免選擇不良的地質，要盡量選擇較為堅硬的施工場地，土質越是堅硬，就越能防止地基在地震的作用下發生液化，為橋梁提供安全平穩的地基平臺，在地震發生時不會出現嚴重崩塌，以保證橋梁地基平臺的安全穩定性。以硬黏土、碎石等為主的地基是較為堅硬的地基，是橋梁施工場地的最佳選擇。如果橋梁所在區域無法避開軟地基時，為了防止地基在地震中產生嚴重變形，保證橋梁的穩定性和抗震性，在施工前要先對地基進行一定范圍內的加固工作。

3.3 提高結構和構件的強度和延性

地震對公路橋梁結構的主要破壞為橋梁結構的振動，所以在橋梁的減震設計中，我們要找到辦法來盡量地減小由基礎傳入橋梁結構中的震動能量，同時還要保證橋梁結構的強度。地震時地震力會通過地基傳導給橋梁內部結構，使其在地震力的作用下產生位移和形變。如果橋梁結構的延展性不足時，輕微地震造成的變形也有可能造成結構件的斷裂，破壞橋梁結構的整體平衡體系。如果橋梁結構件的延展性良好，當地震發生時能夠抵擋結構件的形變而不會崩裂，從而提高橋梁的可靠性。因此，為了能更好地降低地震造成的損壞，需要不斷地加強橋梁材料的硬度與延性。

3.4 減少橋梁中落梁情況

地震災害時，可能會有橋梁產生位移、垮塌等不良狀況，這是由于地震波所帶來的巨大能量傳入了橋梁內部結構導致的。所以，我們需找到優化方案可以使橋梁在一定范圍內允許發生位移，通過增加橋梁震動的彈性，來有效提高橋梁不同結構連接處的穩定性。此外，另一個容易導致落梁問題出現的原因，是橋梁的主梁與墩臺之間的縫隙過大。這個問題可以通過在橋梁中主梁與墩臺的位置添加防落梁裝置，強化它們之間的聯系，從而達到預防落梁的目的。

3.5 加強橋梁墩柱強度的設計控制

橋梁墩柱在整體結構中是最為重要的承重構件。一方面，墩柱在橋梁的整體結構中起到了支撐的作用，一旦被破壞，會導致橋梁整體崩塌。加強墩柱的強度是墩柱抗震設計的核心，這方面的設計可采取以下兩種措施：第一，要合理地選擇墩柱配筋型號，保證配筋能提供足夠的抗彎承載力，從而使墩柱自身的穩定性得以提高，保證墩柱的質量。第二，可以對墩柱進行優化設計，通過對墩柱的加強使其擁有足夠的耐受力，可以抵擋住地震發生時產生的破壞力。

4 抗震設計的優化方法

4.1 橋梁上部架構的抗震設計優化

對于橋梁上部架構的優化，主要是為了避免落梁這種非常常見的震害發生。具體做法是加強橋梁的上部結構，并對其整體性進行有效限制。這樣做的目的就是當橋梁發生災害時，橋梁上部結構的抗震能力能夠得到有效提升。具體的優化措施有四點：

（1）要有效地固定梁體的底部，從而減小梁體的位移。具體方法可采取橫（縱）向位移約束裝置或者對梁體底部加鋼板來進行固定。比較常用的約束裝置有混凝土擋塊、拉桿等。

（2）梁體的各項位置參數要嚴格遵循設計要求，例如，墩臺帽和梁端的距離、蓋梁邊緣到梁端的距離、懸臂和掛梁的確切搭接長度等。

（3）對于橋梁上部和下部結構的位置連接處，可以采用強度更高的錨栓來連接。

（4）對于減少伸縮縫的要求，尤其是當橋梁的跨度較大時，最好采用連續梁，不建議采用簡支梁。

4.2 橋梁下部結構抗震設計優化

對于橋梁下部架構的優化，主要作用是為了減小地震帶來的巨大破壞力。支座在橋梁的整體結構中起到了連接作用，因此，要消除地震帶來的影響可以通過支座的變形來實現，同時，橋梁的下部結構也可以采用彈性理論來進行結構設計。目前，我國橋墩的形式主要有圓柱形、方形以及花瓶墩形。基于以上理論，設計橋梁墩柱的時候，除了要考慮其是否美觀、經濟之外，還需主要考慮其結構的安全性。經過研究發現，不同地區應當根據自己當地的地形、地質情況來確定具體的橋梁下部結構設計，這樣采用不同的理念來設計具體的下部結構才是最為合理、安全、經濟的。表1為不同條件下所采取的墩柱設計理念表。

表1 不同地區墩柱設計理念

4.3 引進新型橋梁的抗震設計方法

目前，我國設計人員為了保障橋梁結構整體的抗震能力，在以往的橋梁抗震設計過程中，主要采用兩種方式，一是提高結構的整體強度，二是增強結構的延展性。但是，由于我國是多山且地形較為多樣化的國家，地區不同，地震對橋梁抗震能力的影響又比較復雜，并且，不同類型的震害帶來的破壞也有所不同，因此，我們要針對不同情況采取具體優化措施。現在，我國為了在結構設計方面能夠進一步提升橋梁的承載力和抗震能力，主要是采用鋼混凝土結構來實現對橋梁的保護，進一步保證結構的穩定，提升整體的應震災能力，進而保護人民群眾的生命財產安全。所以，在抗震災設計方面，還是要不斷地補充和更新先進有效的抗震設計技術，學習參考國外先進的抗震技術，并且不斷地提升工程材料的整體性能。

5 結論

該文通過對現時期公路橋梁設計及其抗震優化的研究分析，得到以下結論：

（1）公路橋梁的震害原因主要體現在橋梁上部結構、下部結構和地基基礎這幾個方面。

（2）橋梁的抗震設計要以安全性、耐久性、經濟性為原則，其主要應用原理是延性設計和結構控場。

（3）抗震設計要點有施工場地的合理選擇、提高結構強度和延性、加強減震隔震設計、加強墩柱的設計，還要注意避免落梁問題的發生。

（4）抗震設計的優化方案主要有三種：一是加強橋梁的上部結構，使整體性能得到提升。二是橋梁下部結構采用彈性理論來設計，并且科學設計墩柱造型，消減地震帶來的能量。三是引進新型的抗震設計方法，提升材料性能。