橋梁抗震設計有關問題分析

周偉群

（諸暨市交通投資集團有限公司，浙江 諸暨 311800）

1 前言

我國地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，屬多震國家，在抗震救災中，公路交通是搶救人民生命、恢復生產的生命線。結構抗震構造設計是橋梁設計中的重要環(huán)節(jié)，涵蓋內容豐富。若能把地震力效應的受力計算以及概念設計綜合運用到設計上，往往會得到事半功倍的效果。

2 橋梁的震害及特征

對國內外震害的調查表明，在過去的地震中，有許多橋梁遭受了不同程度的破壞，其主要震害有以下幾點。

2.1 橋臺震害

橋臺的震害主要表現(xiàn)為橋臺與路基一起向河心滑移，導致樁柱式橋臺的樁柱傾斜、折斷和開裂：重力式橋臺胸墻開裂，臺體移動、下沉和轉動；橋頭引道沉降，翼墻損壞、開裂，施工縫錯工、開裂以及因與主梁相撞而損壞。橋臺的滑移與傾斜會進一步使主梁受壓破壞，甚至使主梁坍毀。

2.2 橋墩震害

橋墩震害主要表現(xiàn)為橋墩沉降、傾斜、移位，墩身開裂、剪斷，受壓緣混凝土崩潰，鋼筋裸露屈曲，橋墩與基礎連接處開裂、折斷等。

2.3 支座震害

在地震力的作用下，由于支座設計沒有充分考慮抗震的要求，構造上連接與支擋等構造措施不足，或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素，導致了支座發(fā)生過大的位移和變形，從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落及支座本身構造上的破壞等，并由此導致結構力傳遞形式的變化，進而對結構的其他部位產生不利的影響。

2.4 梁的震害

橋梁最嚴重的震害現(xiàn)象是主梁墜落。落梁主要是由于橋臺、橋墩傾斜、倒塌，支座破壞，梁體碰撞，相鄰墩間發(fā)生過大相對位移等引起的。

2.5 地基與基礎震害

地基與基礎的嚴重破壞是導致橋梁倒塌，并在震后難以修復使用的重要原因。地基破壞主要是指因砂土液化、不均勻沉降及穩(wěn)定性不夠等因數(shù)導致的地層水平滑移、下沉、斷裂。基礎的破壞與地基的破壞緊密相關，地基破壞一般都會導致基礎的破壞，主要表現(xiàn)為移位、傾斜、下沉、折斷和屈曲失穩(wěn)。

2.6 另外橋梁結構的震害還表現(xiàn)在

結構構造及連接不當所造成的破壞、橋臺臺后填土位移過大造成的橋臺沉降或斜度過大而造成墩臺承受過大的扭矩引起的破壞。

3 公路橋梁抗震設防原則及分類

3.1 設防原則

橋梁結構抗震設計的基本思想和設計準則是制定設計規(guī)范的重中之重，它決定了抗震設計要達到的目標、地震動水平和結構對地震反應的計算方法。我國現(xiàn)行的《公路橋梁抗震設計規(guī)范》(JTJ004-89)采用的是單一水準的抗震設防思想，進行了基本烈度(中震)下的抗震指引。基本烈度是由中國地震烈度區(qū)劃圖確定的。該規(guī)范7 度、8 度和9 度地區(qū)相應的地震最大動加速度設計值分別取0.1g、0.2g 和0.4g(g=9.8m/s 為重力加速度)

另外，根據(jù)線路等級和結構重要性以及修復的難易程度，采用重要性修正系數(shù)對結構的地震作用進行修正。但公路橋梁抗震設計規(guī)范的重點放在梁式橋墩臺和一般跨徑的拱橋上，較少詳盡考慮剛架拱橋、連續(xù)剛構、斜拉橋、超過 l50m 的梁式橋等。因此，單一的抗震 強度設防思想在目前我國公路橋梁抗震設計中有待完善。

3.2 震級和烈度

震級：反映某次地震震源釋放能量的多少。

烈度：表示某一地區(qū)的地面和各類建筑物遭受某一次地震影響的強弱程度，是反映某個指定場地的地面運動效應的尺度。烈度以描述震害宏觀現(xiàn)象為主，根據(jù)建筑物的破壞程度、地貌變化特征、地震時人的感覺、家具器物的反應等方面進行分級。由此可見，震級是定量概念，與某次地震對應；烈度是定性概念，與某次地震非一一對應，但與結構的破壞程度和地震動峰值加速度對應。因此，設防烈度才是抗震設計的主要依據(jù)。

4 橋梁的抗震設計

橋梁的抗震設計應分兩階段進行：1)在方案設計階段進行抗震概念設計，選擇一個較理想的抗震結構體系；2)在初步或技術設計階段進行延性抗震設計，并根據(jù)設計思想進行抗震能力驗算，必要時進行減、隔震設計提高結構的抗震能力。

4.1 抗震概念設計

由于地震發(fā)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(jù)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(jù)分析結果綜合評判結構體系抗震性能的優(yōu)劣，決定是否要修改設計方案。

4.2 常用的抗震設計方法

增加結構的柔性以延長結構的自振周期，達到減小由于地震所產生的地震荷載和增加結構的阻尼或能量耗散能力以減小由于地震所引起的結構反應是實用的抗震方法。當前，比較容易實現(xiàn)和有效的抗震方法主要有以下幾點。

4.2.1 采用隔震支座

采用減、隔震支座(聚四氟乙烯支座，疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座等)在梁體與墩、臺的連接處增加結構的柔性和阻尼以減小橋梁的地震反應；采用減、隔震支座橋梁結構的梁體通過支座與墩、臺相聯(lián)結，大量的試驗和理論分析都表明其聯(lián)結方式對橋梁結構的地震反應有很大的影響，在梁體與墩、臺的聯(lián)結處安裝減、隔震支座能有效地減小墩、臺所受的水平地震力。

4.2.2 采用隔震支座和阻尼器相結合的系統(tǒng)

利用橋墩在地震作用下發(fā)生彈塑性變形耗散地震能量以達到減震的目的，利用橋墩的延性抗震。近20年來，國外在橋梁減、隔震和延性抗震方面進行了許多研究，美國、新西蘭和日本等在橋梁設計規(guī)范中都列入了相應的條款。

4.2.3 利用橋墩延性減震

利用橋墩的延性減震是當前橋梁抗震設計中常用的方法，橋墩延性減震是將橋墩某些部位設計得具有足夠的延性，以便在強震作用下使這些部位形成穩(wěn)定的延性塑性鉸產生彈塑性變形來延長結構周期、耗散地震能量。在進行延性抗震設計時，按彈性反應譜計算塑性反應的地震荷載需要修正，橋梁抗震設計規(guī)范采用了綜合影響系數(shù)來反映塑性變形的影響。

4.3 新型橋梁抗震設計方法

傳統(tǒng)橋梁的抗震設計，是從強度和延性等方面來確保橋梁具有足夠的抗震能力，使之在地震作用下不垮。然而由于人們尚難以準確估計橋梁結構的抗震能力和地震作用，因而橋梁結構在地震中嚴重破壞或倒塌的例子很多。型鋼混凝土結構是在混凝土上包裹型鋼做成的結構。它與鋼筋混凝土結構相比具有一系列優(yōu)點。其承載力可以高于同樣外形的鋼筋混凝土構件承載力一倍以上，具有較好的抗剪能力，延性比明顯高于鋼筋混凝土結構，滯回曲線較為飽滿，耗能能力有顯著的提高，從而呈現(xiàn)出良好的抗震性能。能夠隔離、吸收和耗散地震能量，減小橋梁結構的地震反應，使橋梁的變形限制在彈性范圍，避免由于產生塑性變形而造成累積損傷破壞和永久殘余變形，這大大提高了橋梁結構的安全度；同時可以節(jié)約材料，降低造價。型鋼混凝土中的型鋼除采用軋制型鋼外，還廣泛使用焊接型鋼，常用的截面型式有H 型、E 型、T型等，而采用矩形及圓鋼管混凝土結構是在型鋼混凝上結構、螺旋配筋混凝上結構以及鋼管結構的基礎上演變和發(fā)展起來的一種新型結構。

5 結語

目前地震雖然是不可控制的，但只要我們加強對橋梁震害及抗震機理的深入研究，在橋梁設計過程中認真分析地震時結構的特性和反應，精心采取一系列科學有效的抗震設計，制定先進的抗震設防原則，嚴格控制工程質量，就一定能將地震損失降到最小，并確保交通運輸線路的暢通無阻。

[1]范立礎,胡世德,葉愛君.大跨度橋梁抗震設計[M].北京:人民交通出版社,2001..

[2]聶利英.[D].上海:同濟大學橋梁工程系,2002.