淺議橋梁抗震設計

黃寶華　單榮海

中圖分類號：TU

文獻標識碼：A

文章編號：1673-0992(2009)03-0080-02

摘要：通過分析橋梁震害及產生原因，從設計的角度提出提出了在橋梁抗震設計過程中應遵循的一些設計原則和橋梁減、隔震的有效措施，指出合理的結構形式和成功的抗震設計可以大大減輕甚至避免震害的產生，從而很好地達到橋梁結構的防震和抗震效果。

關鍵詞：抗震設計橋梁結構措施

1橋梁的震害原因

(1)地震位移造成的梁式橋梁上部活動節點處因蓋梁寬度設置不足導致落梁或梁體相互磁撞引起的破壞，而對拱式結構則主要表現在拱上建筑和腹拱的破壞，拱圈在拱頂、拱腳產生的破損裂縫，甚至整個隆起變形。

(2)由于地基土(如飽和粉細紗和飽和粘沙土)的地震液化影響，同樣加大了地震位移的影響。進而放大了結構的振動反應，使落梁的可能性增大。當采用排架樁基礎時。則使樁基的承載力降低，從而造成與地震反應無關的過大的豎向和橫向位移，而簡支梁橋對此尤為明顯。另外，由于地基軟弱，地震時當部分地基液化失效后引起了結構物的整體傾斜，下沉等嚴重變形，進而導致結構物的破壞，震害較重。

(3)軟弱的下部結構破壞。即由于橋梁下部結構不足以抵抗其自身的慣性力和支座傳遞的主梁的地震力。導致結構下部的開裂、變形和失效。甚至傾覆，并由此引起全橋的嚴重破壞。

(4)在松軟地基上的橋梁，特別是特大橋、大中橋，地震時往往發生河岸滑移，使橋臺向河心移動。導致全橋長度的縮短，這類震害是比較嚴重的。

2抗震設計

早在20世紀70年代，多級抗震設防的思想首先在核電站抗震設計中被提出。多級設防的合理性眾所周知，從近幾年各國橋梁抗震設計規范的發展來看，采用多級設防原則的國家不斷增多，我國《建筑抗震設計規范》(GBJ11-89)也早已采用2階段設計實現3級抗震設防的目標要求。根據3級抗震設防原則，定義以下的3級地震水平：

地震水平I：定義為橋梁在正常使用壽命期間發生的大概率的地震作用。這個地震水平一般相當于50年內超越概率60左右，即約為55年一遇的地震，稱為多遇地震。

地震水平Ⅱ：定義為橋梁在正常使用壽命期間發生的中等概率的地震作用。這個地震水平一般相當于50年內超越概率10左右，即約為475年一遇的地震。

地震水平Ⅲ：定義為橋梁在正常使用壽命期間發生的小概率地震作用。這個地震水平一般相當于50年內超越概率2左右，即約為2475年一遇的地震，稱為罕遇地震。

上述這個原則實際上也規定了結構在3級地震水平下相應的反應：在多遁地震作用下，結構總體處于彈性反應范圍，結構構件沒有損壞：在設防烈度的地震作用下，結構可能出現一定的塑性變形，但最大變形值應限定在遠低于結構的容許變形以內；在罕遇地震作用下，結構將經歷較大的彈塑性變形循環，最大變形可能達到結構的容許變形值，但始終不超過容許變形值。

2.1抗震概念設計

由于地震發生的不確定性和復雜性，再加上結構計算模型的假定與實際情況的差異，使“計算設計”很難控制結構的抗震性能，因而不能完全依賴計算。結構抗震性能的決定因素是良好的“概念設計”。因此，在橋梁的方案設計階段，不能僅僅根據功能要求和靜力分析就決定方案的取舍，還應考慮橋梁的抗震性能，盡可能選擇良好的抗震結構體系。

在抗震概念設計時，要特別重視上、下部結構連接部位的設計。橋墩形式的選取，過渡孔處連接部位的設計以及塑性鉸預期部位的選擇。

為了保證所選擇的結構體系在橋址處的場地條件下確實是良好的抗震體系，必須進行簡單的分析(動力特性分析和地震反應評估)。然后結合結構設計分析結構的抗震薄弱部位。并進一步分析是否能通過配筋或構造設計保證這些部位的抗震安全性。

最后，根據分析結果綜合評判結構體系抗震性能的優劣，決定是否要修改設計方案。

2.2延性抗震設計

在目前的結構抗震設計中已普遍采用延性抗震準則，其表達式為：

μ≤[μ]。

其中，μ和[μ]分別為實際和允許的延性比。這是在延性抗震設計中使用最廣泛的破壞準則。

橋梁的延性抗震設計應分兩個階段進行：1)對于預期會出現塑性鉸的部位進行仔細的配筋設計：2)對整個橋梁結構進行抗震能力分析驗算，確保其抗震安全性。這兩個階段可以反復，直到通過抗震能力驗算(或進行減、隔震設計以減小地震反應)。

結構關鍵截面(塑性鉸)的曲率延性系數一般遠遠大于結構的位移延性系數。這是因為一旦屈服出現，進一步的變形主要依靠塑性鉸的轉動。塑性鉸區的橫向鋼筋配置要同時滿足保證截面的延性和保證縱向鋼筋不壓潰屈曲這兩個要求。在這一方面。目前我國的規范還相當不足，可參考國外規范進行。

2.3橋梁減、隔震設計

減、隔震體系通過增大結構主要振型的周期，使其落在地震能量較少的范圍內或增大結構的能量耗散能力來達到減小結構地震反應的目的。減、隔震設計的效果，需要進行非線性地震反應分析來驗證。

3橋梁抗震、加固措施

(1)結構的剛度對稱有利于抗震，不等跨的橋梁容易發生震害。特別是一座橋內墩身高度相差過大，在較矮的橋墩上會產生很大的地震水平力：跨徑不同。在大跨徑的橋孔的橋墩上也產生大的地震力。

設計上盡量避免在高烈度區采用這種橋型，如無法避免。宜在不利墩上設置消能措施降低墩頂集成剛度，例如設抗震支座等。

(2)斜橋的抗震性能較差。由于斜橋的抗推剛度非常大，在高烈度區，相應于橋墩的基本周期動力放大系數也非常大，這導致地震效應擴大。另外，在橋臺處，地震時河岸不穩，易向河心滑移，使橋長縮短，橋孔發生錯動或扭轉，造成墩臺身開裂或折斷。

建議如地基條件允許，臺身可作成T型或U型這類整體性強、抗扭剛度大的，或采用埋置式。如在松軟的地基上，橋梁宜正交。并適當增加橋長，使橋臺放在穩定的河岸上。

(3)在可能發生地震液化的地基上建橋時。應采用深基礎，使樁或沉井穿過可能液化的土層埋入較穩定密實的土層內。沈山高速公路遼中段地質中普遍有相當厚度的粉沙和細沙。在設計時，這部分土層只計厚度，不考慮其力學性質。

(4)采用淺基的小橋和通道應加強下部的支撐梁板或做滿河床鋪砌。使結構盡量保持四鉸框架的結構，防止墩臺在地震時滑移。

(5)在高烈度區的橋梁，縱向梁間設置消能設施，消能設施應有足夠的強度，并能滿足梁端位移要求。此外，為防止發生落梁，應加強上、下部結構之間的聯系。橋梁的支座錨栓、銷釘、剪力鍵等應有足夠的強度。

(6)現階段鋼筋混凝土橋墩的抗震加固技術主要有：①加大截面加固法。這種方法對提高橋墩的強度及剛度較提高延性更有效，更適合于未進行抗震設計的橋梁。加固的效果取決于新舊混凝土之間的良好共同作用及鋼筋的錨固性能。缺點是不美觀。也不適于水下施工。②鋼板一角鋼加固法。在矩形或方形橋墩的四周設置鋼板并在轉角處用焊接角鋼連接，可顯著提高強度和剛度。③鋼纖維混凝土加固法。④復合材料(玻璃纖維、碳素纖維)加固法。⑤外包鋼管加固法。

4結語

大量的震害表明，合理的結構形式和成功的抗震設計可以大大減輕甚至避免震害的產生。隨著對地震機理認識的逐步加深，提高和完善橋梁結構物的各項功能，以及橋梁抗震構造措施進一步的改進和完善，可以很好地達到橋梁結構的防震和抗震效果。只要認真分析和了解結構的地震反應和特性，精心設計并采取一系列有效的抗震措施，我們不但可以很好地達到結構的防震和抗震效果。