防震設計措施在公路橋梁設計中的應用

黃飄

（撫州贛東公路設計院有限公司，江西撫州 344000）

0 引言

抗震設計是公路橋梁設計中非常重要的一部分，也是設計難點。綜合分析多方面的因素，選擇最佳的抗震結構，可以確保橋梁在地震發生之后避免發生嚴重的損壞，保持結構的完整性和安全性，進而保護民眾的生命財產安全。因此，必須加強公路橋梁防震設計，全面保證公路橋梁的安全性。

1 橋梁震害分析

地震是非常嚴重的自然災害，會對公路橋梁構成嚴重的危害。如果公路橋梁在設計的過程中，沒有落實抗震設計理念，會影響結構性能，對正常使用也會產生一定的影響。橋梁震害可從如下幾個方面進行分析：

其一，發生地震之后，梁式結構受到地震位移作用的影響，橋梁上部活動節點會出現位移。如果梁蓋結構寬度設置不合格，梁體結構會發生相互碰撞的情況，甚至會造成落梁現象，導致橋梁結構破壞嚴重。

其二，對于拱式橋梁結構，地震發生之后，破壞主要存在于腹拱和拱上。通常在地震出現之后，拱圈的拱腳和拱頂位置上會發生裂縫，嚴重時會出現隆起變形。地震出現后，橋梁地基可能會出現液化現象，一旦出現液化問題，會嚴重損壞橋梁的基礎結構，會發生表面位移的問題，對整個橋梁結構的穩定性造成不利影響。

很多橋梁在設計的過程中，沒有考慮到支座結構的抗震性能。如果支座結構抗震性不達標，在地震發生之后，支座會發生較大的位移和變形，上部結構的穩定性也會受到影響，會導致多個橋梁結構損壞，橋梁的下部結構也有可能在地震發生之后出現大量橫向、豎向裂縫。這種裂縫會在地震作用下持續發展，最終導致下部結構穩定性不合格，影響整個橋梁的正常運行。如果橋梁工程本身就建設在軟土地基的地質條件之下，在地震發生后，地基結構破壞會更為嚴重，橋梁可能發生整體性移動。因此，在公路橋梁設計中需要采取合理的抗震設計方案[1]。

2 公路橋梁抗震設防標準

公路橋梁在地震作用下容易發生嚴重損壞，對民眾的生命財產安全構成巨大威脅，因此公路橋梁的抗震設計工作必須得到全面落實。抗震設防標準的制訂需要綜合考慮多個因素，包括地震活動的概率、地震波的強度、橋梁結構的類型和用途等。一般情況下，抗震設防標準主要包括以下幾個方面：

其一，地震概率。根據地震活動性和歷史地震數據，確定特定地區在一定時間內發生地震的概率。通常以年為單位表示，如百年一遇、五十年一遇等。

其二，地震加速度。根據地震波的強度和頻率特性，確定地震時橋梁所受到的最大水平加速度，這個參數能夠反映地震對橋梁結構的影響程度，是抗震設計的基礎。

其三，地震作用頻率。地震波的頻率特性會影響橋梁結構的動力響應。設計過程中應考慮結構的固有頻率和地震波的頻率，確保橋梁在地震作用下不會發生共振現象，從而避免結構損壞。

其四，抗震性能目標。根據橋梁的重要性和用途，確定不同的抗震性能目標，包括破壞限制狀態、臨界狀態和安全限制狀態等。這些目標能夠反映橋梁在地震下的承載能力和變形能力。

其五，結構材料和構造要求。根據橋梁的類型和使用情況，規定適用的結構材料、構造方式和施工要求，包括鋼筋混凝土橋梁的橫縱向抗震加固、橋墩柱的延性設計等。

3 橋梁減隔震設計原理與原則

3.1 設計原理

隨著時代的發展和進步，橋梁技術水平日益提升，很多先進技術不斷應用到實際工作中，在當前的橋梁減隔震設計中，要考慮橋梁的剛度、強度等性能，尤其要重視關鍵部位的隔震設置，提高橋梁設計水平，保證抗震效果合格，同時要具備較高的經濟性和美觀性，以更好地滿足公路橋梁的運行需要[2]。

3.2 設計原則

當前，橋梁結構形式多樣化，設計要求和使用場景也存在一定的差異性，所以在橋梁設計之前，要先明確設計目標，確定設計標準和要求，以確保抗震設計符合橋梁的建設和運營需要。并且，抗震設計不是獨立存在的，在設計過程中應將抗震設計和橋梁的整體性設計相結合，以確保結構設計達到理想效果。

同時，為了提高整體設計水平，需要綜合分析多個方面的要素，在確保抗震性能達標的情況下降低建設成本。在設計環節，各項工作的順利開展離不開數據的支持。因此，技術人員需要進入現場進行全面勘察，獲取水文地質及周邊環境的具體情況，綜合考慮各個方面的因素，并分析細節影響，從而提升橋梁的設計水平。此外，在選擇和安裝相應的隔震裝置時，除了需要達到穩定性的要求，還應從適用性和經濟性方面進行考量和分析。

4 公路橋梁的防震設計要點

4.1 一般防震設計

4.1.1 地段選擇

進行橋梁工程建設之前，應盡量選擇地勢平坦、地質條件較好、承載性能高的位置進行建設。在公路橋梁設計開始之前，設計人員需要對建設地點進行合理分析，選擇最佳的建設位置，并充分了解現場的地質條件以及以往地震活動情況，以避免在不適宜的地段進行建設。同時，應采取必要的防護措施，以免施工過程受到地震災害的影響。

4.1.2 設計合理的結構方案

公路橋梁設計人員進行路線和控制點選擇時，應避開地震烈度高、震害危害大的地段。在考慮現場地形條件變化的同時，確定最佳的設計方案，以確保橋梁的防震水平合格，降低地震對橋梁的危害[3]。

4.1.3 分析橋梁結構防震性強弱

分析橋梁結構的防震性強弱時，需要從地震作用特點到橋梁結構的抗震性能等多個因素進行考慮，以全面評估橋梁的防震能力。

首先，分析地震的特點。地震發生時，地震波的頻率、振幅以及方向等因素會直接影響橋梁結構的受力情況。通過對地震記錄和頻譜的分析，可以了解地震對橋梁的潛在威脅，從而為防震設計提供基礎數據。

其次，對橋梁結構的防震性能進行評估和分析。分析橋梁的幾何形狀、材料性能、結構類型等因素。設計人員可以通過數值模擬和結構力學分析，模擬地震作用下橋梁的受力和變形情況，評估結構的防震性能。在分析過程中，需要重點考慮橋梁結構在地震作用下容易發生破壞的部位和不易發生破壞的部位。同時，橋梁的設計參數和規范要求也是分析防震強弱的重要依據。國家和地區制訂的橋梁設計規范通常會包含關于地震荷載、抗震設防水平等方面的規定。設計人員需要將橋梁的設計參數與規范要求進行對比，評估是否滿足防震要求。如果發現不足之處，需要通過合理的措施提高橋梁的防震性能。

最后，對于已有的橋梁結構，可以通過現場勘察和監測來評估其防震強弱。通過實際測量和觀察，以了解橋梁在地震后的受損情況，進一步驗證防震性能分析的準確性，并為后續的維護和加固提供指導。

4.2 橋梁防震設計方法

4.2.1 強度設計

我國最初進行防震設計時主要考慮強度設計，該方法將地震加速度作為橋梁破壞的唯一因素，沒有考慮結構本身的動力特性及結構反應所造成的影響。該設計方法存在一定的局限性，在此類設計方案下，如果結構失效，會導致強度、剛度無法達到要求，難以滿足防震需要。

4.2.2 延性設計

鑒于橋梁結構容易出現彈塑性破壞，我國目前在橋梁防震設計方面以延性反應譜法為主要方法。這種方法通過對橋梁結構的動力特性進行深入分析，考慮其在地震作用下的彈性和塑性變形情況。具體而言，需要先對各個主要震動應用譜曲線進行詳細研究，再根據最大地震反應力進行精確計算[4]。

4.2.3 基于性能的防震設計

根據性能進行橋梁的抗震設計是確保結構在地震發生時能夠保持穩定并減少損害的關鍵，這種設計方法強調結構在地震作用下的實際響應，以性能為導向，更加貼近實際使用情況，可提高防震能力和安全性。

首先，根據性能進行橋梁的防震設計需要明確橋梁的防震性能目標，包括結構在地震作用下的變形、位移、傾覆等性能指標，以及對人員安全和功能保障的要求。設計人員需要充分了解橋梁的用途、重要性和使用環境，從而確定適合的性能目標。

其次，基于性能目標，進行地震荷載的確定和結構分析。通過考慮不同地震作用下的結構響應，包括彎曲、剪切、位移等方面的變化，設計人員可以評估結構的抗震性能。在這個過程中，采用現代的數值分析方法，如有限元分析，可以更加準確地模擬橋梁在地震中的情況。

最后，根據分析結果，進行結構防震設計和優化。設計人員可以通過調整構件尺寸、布置、材料等參數來滿足性能目標。在這個過程中，需要考慮結構的整體穩定性、抗震性能的提升以及經濟性的平衡，以確保設計方案的可行性和有效性。

4.3 防震設計措施

4.3.1 橋梁基礎處理

在公路橋梁建設中，如果地形地質條件較差，需要對不良地質結構采取相應的處理措施，有效恢復基礎結構性能，達到橋梁工程的運行標準。如果巖層比較淺，可采用擴大基礎的方式。如果地質軟硬不均勻或砂層較厚、地下水位較高，為避免出現液化現象，可以增加橋梁結構的長度，設置合適的孔徑尺寸，使橋臺和橋墩能夠避開可能發生滑動、不穩定的地段，可以合理增加橋梁樁基礎結構的深度，使其深入內部巖層結構，形成強度較高的基礎結構，也可以選擇增加基礎底面積的方式，提高基礎結構的性能，使橋梁具備較高的抗震性，即使發生較大的地震也能保持完整性[5]。

4.3.2 積極采取減隔震設計

在公路橋梁防震設計中，減隔震設計是非常普遍的一種形式。該設計原理是將破壞橋梁的地面運動和結構分離，從而達到隔震效果，避免地震對橋梁結構造成過大的破壞力。

首先，減隔震設計的核心是在橋梁結構與地基之間引入隔震裝置，使得橋梁在地震時可以相對獨立地運動。常用的隔震裝置包括彈簧隔震、摩擦隔震、液體隔震等，這些裝置可以減輕地震引起的振動傳遞，降低結構的震動響應，從而降低結構的破壞風險。

其次，減隔震設計需要根據地震參數、橋梁結構特點以及使用環境等因素合理選擇和配置隔震裝置。設計人員需要通過數值模擬和分析，確定隔震裝置的性能參數，以及其對橋梁結構的影響。同時，需要考慮隔震裝置與橋梁的連接方式、調整機制等細節，以確保隔震系統的穩定性和可靠性。此外，需要考慮橋梁與隔震裝置之間的相互作用。在地震發生時，隔震裝置會對橋梁產生一定的位移和變形，因此需要對橋梁的附屬部件、鋪裝、管線等進行合理布置和設計，以適應隔震系統的運動。

最后，需要對減隔震設計進行性能驗證和監測。橋梁建成后，需要進行隔震系統的性能測試，確保其減隔震效果符合設計要求。此外，后期還需要進行定期的隔震系統監測和維護，以保障其長期穩定運行[6]。

4.3.3 橋墩處理

在橋梁工程中進行橋墩防震設計時，應盡量選用等截面的橋墩結構形式，盡量避免選用錐形結構形式，以減小縱波應力，保護結構的完整性。如果橋墩的直徑較大，需要承受較大的拉力，可以采用預埋鋼筋的方式將橋梁和橋墩結構連接起來，以防止地震時橋面砸壞橋墩。此外，在支座位置設置彈簧等緩沖構件可避免橋面下落，防止橋墩結構損壞。

4.4 注意隔震細節設計

為了保證隔震效果，應從結構部件、隔震裝置的選擇及施工質量等多個方面入手，加強細節方面的設計。

首先，選擇結構部件時，要確保隔震部件達到協調性和連續性的要求，能夠滿足公路橋梁的正常使用標準。此外，橋梁表面和支架區域之間的縫隙，以及橋墩結構和橋梁的連接位置等，需要優化細節方面的設計，以確保連接性能達到要求，避免影響抗震性能。

其次，在隔震設計環節，應選擇最佳的隔震裝置，確保隔震裝置原材料的隔震效果達到要求，并進行細節方面的處理，以確保結構的安全性和穩固性達標。

最后，在施工方面，要確保各個結構部分的施工都符合設計方案和技術標準，從而提高橋梁工程的抗震水平。

5 結語

綜上所述，在公路橋梁設計環節，應以防震設計理念與科學性理念為指導，嚴格執行國家標準和設計規范，綜合考慮現場具體情況，全面落實各項防震設計措施，保證各項參數都符合要求，重視細節方面的設計，進而提升防震設計總體水平，為公路橋梁工程防震效果的提升奠定基礎。