大跨度橋梁抗震設計要點探討

劉 凡

（江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210014）

大跨度橋梁抗震設計要點探討

劉 凡

（江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210014）

伴隨我國城市化進程的加快，全國各地的交通體系越來越完善，尤其是公路、橋梁的建設方面，大跨度橋梁的數量也逐漸增多，為了確保大跨度橋梁工程的安全性和可靠性，必須做好抗震設計工作。文章結合多年工作經驗與實踐，對大跨度橋梁抗震設計要點問題進行了分析。

大跨度橋梁；抗震設計；設計要點；交通體系；地震災害

近幾年，我國地震災害的發生越發頻繁，地震災害對整個社會經濟的發展以及人民的生命財產安全都造成了嚴重危害，為了滿足當今時代社會的發展對交通運輸的需求，大跨度橋梁工程已成為一種發展趨勢，與普通橋梁相比，大跨度橋梁的抗震設計要求更高，因此必須高度重視這項工作。

1 大跨度橋梁的抗震設計現狀

相對于普通的橋梁來說，大跨度橋梁地震反應譜比較復雜，抗震設計的要求相對比較高，整個設計過程具有一定的技術難度，不僅需要考慮到高階陣型的影響，同時還要綜合考慮到行波效應、多點激振等因素。由于大跨度橋梁在反應上存在多變性，在抗震設計時也提出了多樣性的要求。現階段，我國出臺的諸多橋梁設計規范文件中，大部分內容都是針對普通中等跨度橋梁抗震設計上的要求，有關大跨度橋梁抗震設計的規定比較少，與國外發達國家相比，我國在大跨度橋梁抗震設計上還處于初級階段，諸多問題還有待解決。近幾年，我國出臺的《公路工程抗震設計規范》中規定，所有地震烈度達到7度以上的地區，都必須進行抗震設防設計，要求橋梁工程抗震設計中應遵循“小震不壞、中震可修、大震不倒”的基本原則。

2 大跨度橋梁抗震設計要點分析

大跨度橋梁的抗震設計通常分為兩個階段：第一階段是方案的設計階段，主要工作是進行抗震概念的設計，以實現抗震結構體系的科學合理；第二階段是技術設計或初步設計階段，主要工作是進行延性抗震設計，應參照相關的公式、原理對抗震性能進行驗算，一般情況下還需要進行橋梁減隔震設計。

2.1 橋梁減隔震設計

傳統的橋梁結構設計中，一般比較常見的策略是“抗震”，抗震設計方法可以在一定程度上提高結構的安全性，避免橋梁結構坍塌現象的發生，但是從本質上看這種抗震設計是不能完全規避地震危害的目的。事實已證明，橋梁一些結構構件出現損傷是難以避免的，相比之下，結構控制技術在抗震上的效果要好得多，利用該技術只需將耗能支撐等裝置安裝在工程結構某個部位或通過施加外力的手段，使橋梁結構的動力特征給予改變，以確保其結構自身的安全性與可靠性。應用結構控制技術不但可以大大提升結構的抗震性能，還能節約工程投資造價的成本。在某些特殊情況下，只有運用結構控制技術，才能從根本上解決抗震問題。一般來說，結構控制技術主要可分為被動控制、主動控制和混合控制三種類型。

減震和隔震是現階段大跨度橋梁抗震設計中應用比較廣泛的兩種方法，減震主要是通過一些特殊的減震裝置或構件來發揮抗震的作用，在遇到強烈地震的時候，將這些裝置提前放入到塑性區，使之產生較大的阻尼，可以大幅度消耗結構體系中的能量，最終達到減震的目的。隔震主要是利用隔震體系來阻隔地震能量，使之不能進入到橋梁的主體結構，常見的減隔震裝置主要包括下面兩類：（1）分離型減隔震裝置，這類裝置包括橡膠支座＋粘性材、橡膠支座＋金屬阻尼器；（2）整體型減隔震裝置，這類裝置包括摩擦擺隔震制作、高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座。從減震方式上來看，減隔震技術和延性抗震二者具有極大的相似性，它們都是通過延長周期來達到避免地震能量集中的目的，但是二者的區別主要在于減隔震技術考慮的是怎樣降低傳輸到橋梁結構上的地震能量，而延性抗震則是考慮的怎樣提高橋梁結構自身抵御地震的能力。

2.2 延性抗震設計

延性抗震將結構本身的延性耗能能力作為設計的重點，在實際設計的過程中強調增強結構本身及其構件的延性，針對構件和結構中允許出現的塑性部分進行獨立的延性設計，盡管在延性設計中允許出現一定程度的塑性變形、破損等，但必須確保橋梁的整體穩定性不會受到影響，不會出現坍塌、沉降等后果。另外，設計人員還必須確保結構和構件的滯后特性，這一特性能在一定程度上抵御因地震而帶來的彈塑性變形。根據延性抗震設計的思路，利用變形破壞準則，設定一個破壞界限值，這一數值即為允許的最大變形值，要求結構發生最大位移必須在這一界限值之內。

2.3 抗震結構設計

地震災害本身具有一定的復雜性和不確定性，再加上每座橋梁實際情況和結構模型構建之間存在一定的差異，這就導致計算設計很難達到應有的抗震效果。因此，在實際設計時不能完全把抗震計算的數值作為參考，而決定橋梁結構抗震性能最主要因素是“概念設計”，所以橋梁設計方案的選擇不能單純地參照靜力分析和功能要求就判斷方案取舍，必須考慮到橋梁整體結構的抗震功能，盡量在滿足其他要求的前提下，選擇最為優良的抗震結構體系。抗震概念設計在多方面都具有較高的要求，尤其是在結構上下部的連接處，應將重點放在塑性鉸預期部位的選擇、過渡孔連接處的設計以及橋墩形式的選取上。在結構設計方面，必須站在整體的角度考慮，關注整個橋梁結構在遇到地震時的反應，并對地震破壞原理進行深入地研究和分析，了解結構破壞的整個過程及其特點。在抗震設計基本原則的選擇上應靈活多變，既要確保整體結構的抗震能力，也要保證細節部位的抗震性能。除了堅持基本的原則外，還應做到以下三個方面：（1）對能力保護構件和延性的確認；（2）把握好延性與結構強度之間的關系，使二者趨于平衡；（3）確保抵抗水平地震墩臺的位置和數量符合標準要求。為確保橋梁結構體系在現場施工條件下具備較強的抗震性能，應適當進行全面的分析，包括地震反應評估分析、動力特征分析等，結合工程設計的實際情況以及抗震薄弱部位，考慮是否需要采取構造或配筋設計手段來提高一些特殊部位抵御地震的能力，最后還應當按照分析得出的結果，對整個結構體系的抗震性能高低進行評價，并確定是否需要適當調整設計方案。

3 大跨度橋梁抗震設計的優化策略

大跨度橋梁的抗震設計工作，由于其實踐歷史不長，缺乏充足的經驗，很容易出現各種各樣的問題，為了確保大跨度橋梁抗震設計的科學性，就必須采取一定的優化措施，具體來說，應從以下七個方面著手：（1）如果橋梁所在地為強震區，則最好采用延性抗震和減隔震相結合的設計方法進行抗震設計，這樣可以達到更好的抗震效果，同時也是經濟節約、安全環保之選；（2）采用減隔震設計方法，要注意對工藝、材料的選擇，盡量采用各種新型工藝和材料，以免出現抗震設計效果達不到預期標準的情況。在必要的時候，可借助非線性地震反應來開展研究、分析和驗證工作，一旦出現抗震性能驗證不達標的情況，應立刻采取相應的措施進行修改、糾正，然后需要對調整后的抗震能力進行重新驗算，直到符合預期標準為止；（3）橋墩部位的設計，應充分發揮出箍筋的作用，因箍筋能使橋梁的墩柱具有更佳的約束力，適當提高配箍率還可促進墩柱延性的增強。當發生地震的時候，配箍率越高，橋梁墩柱的底面截面塑性轉角就越大，進而提高結構的安全性和可靠性；（4）在結構設計的過程中，設計者必須確保跨度標準的一致性，使下部墩身在強度和剛度上都趨于一致；（5）若在大跨度橋梁抗震設計中已經采用了簡支梁，則必須對橋面進行適當加固，確保橋梁的寬度和連續性符合標準，此外，為了降低墩臺位移情況出現的幾率，可以考慮采用增加隔檔的方式達到最佳效果；（6）設計者必須重視橋梁模式的選擇，盡量采用連續橋梁模式，降低簡支梁使用的數量，進而有效避免伸縮縫的出現以及落梁現象的發生；（7）在橋梁墩柱的延性設計時，應利用墩柱的延性變形耗能，適當減小墩底的彎矩，使其塑性轉角保持在極限塑性轉角以下，這樣能有效提升結構的安全性和經濟性。

4 結語

綜上所述，大跨度橋梁抗震設計是一項專業性、技術性的工作，該項工作的質量將直接決定橋梁使用的安全性及其使用年限，因此設計人員必須高度重視大跨度橋梁的抗震設計工作，全面掌握設計要點，包括減隔震設計、延性設計、結構設計等，并根據橋梁工程現場的實際情況，綜合考慮各方面的影響因素，這樣才能最大限度地提高大跨度橋梁抗震設計的科學性和可行性，確保橋梁的使用壽命。

[1]葉愛君，胡世德，范立礎，等．大跨度橋梁抗震設計實用方法[J]．土木工程學報，2001，（1）.

[2]范曉明．大跨度橋梁抗震設計實用方法[J]．城市建設理論研究（電子版），2016，（8）.

[3]尹新元，李曉峰．大跨度橋梁抗震設計實用方法[J]．城市建設理論研究（電子版），2016，（15）.

（責任編輯：王 波）

U441

1009-2374（2017）12-0189-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.097

劉凡（1989-），男，甘肅人，江蘇緯信工程咨詢有限公司助理工程師，研究方向：公路、市政道路橋梁工程。

A