大跨度橋梁的抗震設計

付 強

（中國市政工程西北設計研究院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230000）

關于大跨度橋梁的抗震設計會涉及很多方面內容且關系到很多問題，同時每次震后反映的現象也比較復雜，每次都呈現不同的問題，這也就造成了抗震設計的復雜性。目前，國內外普遍使用的橋梁設計模式都是僅適用于常規跨度橋梁。而被稱為大跨度橋梁使用的模式還沒有形成一個較為系統化的模式。舉例說，美國的AASHTO模式，還有國內規定的公路橋梁工程抗震設計要求是150m范圍內，而日本的要求是200m。由于目前大跨度橋梁抗震設計研究工作還不夠充分，詳細的抗震設計仍需作專門研究，沒有具體的設計原則，因此才會出現較多的相關問題需要逐一解決。近30多年來，美國、日本等在橋梁建設中提出多種分級設防的抗震模式，具體提出了小震不壞，中震可修，大震不倒的設計理念。我們國家要求地震的力度只要達到6度及以上，在本地區新建改建的橋梁都要進行抗震設計，這一條被記錄在《公路工程抗震規范》中。美國國家級的應用技術委員會在1997年完成了一項讓世界矚目的科學研究，那就是ATC-18項目，并對自己國內的公路橋梁設計在抗震方面提出了改進的建議，其中最主要的建議就是采用兩種水平的抗震設計方法，具體為橋梁的設計結構可以達到兩種地震情況下的兩種不同抗震標準。目前，日本已引用此標準。

1 對大跨度橋梁設計產生影響的主要因素

地震自然災害之所以對橋梁的設計影響至深，就是因為他的自然災害性較強。地震產生的原因是地殼的運動導致地殼碰撞所引發，這對人們的生活和安全具有較大威脅。組成國家基建工程的重要部分就包括橋梁工程，大跨度橋梁作為交通中的重要節點，不僅關系到國家的安全，也關系到人民的日常出行，如果地震把橋梁等交通設施破壞，不僅會影響到災難發生時搶救的及時性，同時也會為震后的重建工作帶來非常大的阻礙。大跨度橋梁的設計往往會把地震的破壞機理放在首要位置進行考慮，通過對地震進行深入全面的研究，設計出科學合理并切實可行的橋梁結構，通過采用恰當的橋梁結構，從而提升大跨度橋梁的抗震性能。

經過時代的發展和科技的進步，在橋梁的設計中不再簡單的要求強度抗震設計，在此基礎上還應積極增加延性抗震設計理念，并且在進行具體設計過程中還應該從隔震和減震兩方面進行深入的研究，所以當下橋梁抗震設計中，通過選用不同類型的減隔震裝置（整體型和分離型）來調整墩與墩之間的剛性比及自身的水平、豎向變形。通過實際考察發現很多橋梁在發生地震后都會出現不同的變化，而這種變化就充分展示了橋梁結構彈塑性的重要性，而通過結構延性變形可以大大削弱地震對橋梁的破壞，避免造成更大的損失。

2 大跨度橋梁的抗震設計

針對大跨度橋梁的抗震設計主要分為兩個階段，一是在方案階段根據橋梁所在地質情況進行抗震性能方案設計，至少提出2種不同的抗震結構體系進行比選。二是在初設階段對大跨度橋梁進行具體的抗震設計，并具此進行抗震實驗。

2.1 抗震概念設計

地震是否發生是不確定的，什么時候發生是未知的，而且引發地震的原因也是非常復雜的，在進行模型建造的過程中也存在假設與實際的差距，使得設計很難達到完全的抗震性能。因此，為確保對抗震性能給予更好的保障，就需要對“概念設計”原則嚴格遵守。即進行大跨徑橋梁抗震性能設計過程中，設計橋梁方案時不能只考慮功能要求，同時還需要全面考慮橋梁抗震的效果，選擇能夠起到良好作用的抗震結構體系。此外，設計抗震方案過程中還應注意承上啟下位置的設計，比如：橋墩形狀的選擇或者打孔處等特殊位置的設計和結構的選擇應以實際作用發揮為標準依據進行合理選擇。為了確保選擇的結構能夠發揮更好的作用，須進行必要的實驗分析，這其中包括動力特性的分析以及地震反應評估，同時結合結構設計中結構的抗震薄弱部分，進一步準確的研究是否能夠通過配筋或構造設計來保證這些部位抗震的安全性。最后，根據各種分析來綜合評價結構是否達到了預期的抗震要求，然后再決定是否使用這一方案或對方案進行繼續優化。

2.2 延性抗震設計

橋梁的延性抗震設計同樣也分為兩個階段進行，一是對在預期中可能會出現變形的部分進行嚴格的配筋設計，二是對整個橋梁結構的抗震能力進行總體的分析研判，確保有抗震的能力和抗震的效果。

這兩個階段不一定要求一次保障成功，可以通過反復實驗，直到達到抗震的效果，其中值得注意的是截面曲率延性系數正常情況下會大于結構的位移延性系數。主要原因在于變形，而之所以會出現變形是因為塑性鉸的靈活性。塑性鉸區的橫向配筋必須同時滿足兩個要求，即保障截面的延性和縱向鋼筋不會變形。對于這方面來說，我國并不是十分熟練，因此需要向其他國家學習，比如美國的AASH-TO模式，歐洲一些國家的成功經驗也是值得借鑒的，其對體積含箍率的規定非常統一，特別是在橫向約束鋼筋的配置方面的規范，非常的詳細，值得參照。

2.3 橋梁減震、抗震的設計體系的原理

經過加大橋梁結構的主要振型周期，使它落在地震能量相對較少的范圍內或者加強橋梁結構的抗消耗能力，進而達到減震或者抗震的效果，這就是抗震設計體系的原理所在。減震、抗震的設計效果需要通過相關的實驗反復來驗證。目前經常使用高載多向的橋梁支座作為隔震或者減震支座。在非常強烈的地震狀態下，高載多向支座的模式會呈現非線性的受力狀態，非常形象的模擬了它在整個地震過程中受力方向的不確定性。我國也提出了一些力學模型，如面桿系模型模擬的公路橋梁是完全可以采用二維正交彈簧模型來模擬高載多向支座的。空間結構力學模型也完全可以采用空間等代桿件的力學模型來模仿高載多向支座。

3 大跨度橋梁抗震設計注意事項

大跨度橋梁抗震設計的工作，由于實行和實踐的時間較長，目前缺乏必要的典型案例和成功經驗，非常容易出現各種各樣的狀況，所以，為了確保大跨度橋梁抗震設計的科學性，就一定要采取一些必要的優化措施，總的來說，應該注意下面這六個方面：

1）如果橋梁位出于強地震地帶或者頻繁地震地帶，那就最好采用延性抗震和減隔震兩者相結合的設計方案來進行抗震設計，這樣的設計既有利于達到抗震的效果，也可以節省造價。2）如果采用減隔震設計方式，要著重注意對構造設施、材料的選擇，最好使用現在比較好的新工藝和新材料，避免發生抗震時橋梁抗震效果達不到預期。必要情況下，可以通過反復的實驗來驗證、研究、分析，如果出現抗震性能驗證不符合要求的情況，可以采取相應的措施進行糾正甚至改變結構方案，然后再對調整之后的抗震能力是否達標重新進行驗證，直到符合預期為止。3）橋梁的橋墩設計，可通過加強墩柱塑性區域配筋，保證結構能形成一個適當的塑性耗能構件。有效促進墩柱延性的加強。如果發生地震，配箍越多，橋梁墩柱的底下的截面塑性轉角就越大，非常有利于提高結構的安全性和可靠性。4）如果在大跨度橋梁設計中已經采用了簡支結構，則有必要對橋面進行必要的加固設計，這是為了確保橋梁的結構連續性，同時，為保證上部結構與墩臺不發生相對位移，可通過設置防擋塊來達到此目的。5）設計者一定要在橋梁結構上加以慎重考慮，可采用結構連續，減少對簡支結構的依賴程度。6）設計橋梁墩柱的延性時，可以利用墩柱的延性變形耗能這一特點，適當降低墩底的彎矩，使其塑性轉角限制在要求以下，更有利于提高橋梁結構的安全性和經濟性。

4 結語

大跨度橋梁的抗震設計主要表現在降低地震時地震對于橋梁主體結構的損壞，以及增加橋梁的塑性耗能區域。不斷完善和提高大跨度橋梁的抗震設計的能力和措施，無論是對于橋梁工程的發展還是對國民經濟的發展都有著重要的意義，所以需要我們不斷地進行全面的深入研究和改進。