城市橋梁抗震設計探討

張路

摘 要：地震發生會導致城市基礎設施以及橋梁倒塌破壞，會造成城市交通生命線的中斷，阻礙了救援，損失了經濟。為了能夠建立安全、經濟、可靠的抗震設計，文章首先介紹了橋梁抗震設計理論以及既有橋梁抗震設防標準研究，并提出了橋梁減隔震技術。

關鍵詞：城市橋梁;抗震設計;減隔震技術

0 引言

由于我國地處太平洋地震帶與亞歐地震帶之間，地震相對而言更為頻發。地震作用會導致城市的基礎設施受到損壞，橋梁出現裂縫甚至倒塌，造成城市交通生命線的中斷，增大了災區救援的難度。地震的作用還會引發一系列的次生災害，經濟會由此受到巨大的損失[1]。地震對橋梁所造成的病害主要可以分為上部結構、下部結構、基礎、連接構件等方面的失效和破壞。為了能夠削弱降低大地震對橋梁結構的影響，減小破壞，需要加強對橋梁抗震設計的研究，建立安全、經濟、可靠的抗震設計。

1 橋梁抗震設計理論

1.1 基于結構地震反應的抗震設計方法

結構地震反應的不同，能夠將抗震理論劃分為靜力、反應譜、動力理論等。靜力理論中結構物被假定為絕對剛性體，結構的動力特性反而被忽略，結構破壞的因素僅僅只是考慮了地震加速度，其局限性相對而言更大，對于重力式的橋臺、路基可以通過靜力法進行簡化計算。反應譜理論相比于靜力理論，其中考慮到了結構的動力特性，但是其缺點是沒能夠考慮到時間效應，地震力被當做是靜力對待，當結構進入了塑性狀態，應力會被重新分布，但反應譜法并未能夠考慮到此方面。而且該方法假定結構中各個點的振動都是完全相同的，也沒能夠考慮到地震響應的空間性[2]。動力時程分析法考慮了反映實際的復雜因素，彌補了反應譜法的缺陷，但是該方法的計算量較大，也只有對于要求較高、計算精度較大的大跨徑橋梁中才應用此方法。

1.2 基于性能的抗震設計方法

抗震方法還可以依照性能關系來進行設計，其中性能主要包括了強度、位移、能量損傷等。基于強度的抗震設計方法，第一步需要對結構的自振周期進行估算，下一步需要對結構彈性階段的地震力進行計算，在這個計算過程主要是依據的設計加速度的反應譜，之后需要選取折減系數來對地震力進行折減得到結構進入塑性階段的地震力，最后結構的配筋設計則可以根據結構屈服力以及設計地震力來進行確定。該方法的不足在于不能夠控制結構的損傷狀態以及經濟損失。基于位移的抗震設計與強度相比，能夠更好的反應結構的損傷狀態，基于位移的抗震設計方法還可以細分為延性設計法、能力譜法、直接基于位移設計法等[3]。基于能量及損傷設計方法原理較為明了，概念清晰，但是對于總能量的計算以及能量的耗散和分布方面還需進行深入的研究。

2 既有橋梁抗震設防標準研究

橋梁抗震性能的設計中，設防標準的確定是其中首先需要考慮的問題，設防標準具體還可以分為平均設防標準以及相對設防標準，平均設防標準反映的是地震烈度區劃的問題等總體設防烈度的內容，而相對設防標準主要考慮的是抗震重要性系數的問題。而由于各地區經濟發展水平差距較大，而對于結構抗震性能方面的要求也會有所不同。根據橋梁的上部結構形式以及橋梁所處道路等級抗震設防分為四類，如下表1所示。

抗震設防標準的確定還需要考慮到橋梁的重要程度、結構設計基準期、地震可能引發災害、建設單位所能承受的經濟能力。不同類別的橋梁抗震設防標準如表2所示。

3 橋梁減隔震技術

目前常應用主動、被動以及混合等結構性控制技術來提高橋梁的抗震性能。該控制技術的原理是在橋梁的某些特定部位安裝特定的控制裝置或者施加以外力作用調整結構整體的動力特性以及動力作用，叨叨確保結構安全的目的。在目前的橋梁設計中，減震技術作為被動控制技術的一種，應用廣泛，通過在結構中安裝特殊特制裝置，在出現強震時，減震裝置能夠比橋梁結構先進入塑性狀態，與此同時還會產生較大的阻尼，大部分的地震能量會被消耗或者削弱。而隔震技術就是應用裝置來隔離結構和地面，阻隔地震能量的傳入[4]。在實際的工程應用中，通常將隔震技術與減震技術相互結合，更加有效的提高橋梁結構的抗震性能。

3.1 橋梁減隔震設計的原則

并非在任何情況下均能夠采用減隔震技術，首先需要對橋梁的概況進行分析，判斷其能夠達到應用減隔震技術的原則以及條件，之后再結合橋梁的實際情況進行抗震技術的設計。如果橋梁的基本周期較短、橋墩較長，應用減隔震技術對于延長結構的周期、削弱地震效應非常有效。如若橋址區為巖石或者堅硬土，場地條件整體較好，則可以通過采用減隔震技術來盡可能的避開高頻地震動。對于橋墩高度差距較大且剛度不均勻的情況，通過采用減隔震技術使得各個橋墩的剛度能夠均勻的承受地震力。但是倘若橋址區軟土層較厚，應用減隔震技術會加大地基與橋梁之間產生共振的幾率，而這種情況則不建議設置減隔震結構。

減隔震技術的重點是提高結構的耗能能力以及隔絕地震動，但是不應該過分的追求延長結構的周期。減隔震裝置通常設置在橋梁的墩頂處，一方面能夠有效的降低橋梁上部結構的地震作用，另一方面還能夠保護下部的結構。在工程實際中通常是將普通支座更換為減隔震支座，相對而言更為經濟。

通過對橋梁減隔震技術的應用，一方面能夠降低結構所受到的地震作用，另一方面還能夠合理的調節橋墩之間的地震力分配。通過調節減震裝置的剛度就能夠合理的調整橋墩所承擔的地震作用力，能夠有效的避免剛度過大的橋段產生較大的地震作用力，此外還能夠減小基礎條件差的橋墩所承擔的地震作用力，讓橋梁結構能夠更加均勻的受力。在橫向上，通過設置減隔震能夠對橋墩之間的橫向剛度進行協調，減小橋墩之間橫向位移的差異而產生的梁體扭轉。

3.2 常用的橋梁結構減隔震裝置

隔震裝置通常可以劃分為橡膠支座和滑動支座兩種。隔振裝置常用的包括鉛芯橡膠支座以及高阻尼橡膠支座，通過提供較大的柔度來延長結構周期，同時還可以通過塑性形變來消散大部分的地震能量，同時可以具有隔震和耗能的效果。阻尼器也是隔震裝置的一種，通過來增大結構阻尼，并耗散輸入結構中的能量，阻尼器主要可以分為速度型、位移型以及其他類型。速度型阻尼器其工作原理是通過對液體或者膠泥中的流動阻力加以利用從而為結構提供阻尼，能夠把機械能轉化為熱能，從而來消散削弱能量。位移型阻尼器是通過材料的塑變來削弱地震能量;摩擦性阻尼器通過摩擦力做功對地震能量加以消耗。目前常用的間隔震裝置主要包括了鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、滯變型鋼支座、摩擦擺式支座、液壓阻尼器等。

4 結語

綜上，針對城市橋梁的抗震問題文章展開了簡略的分析，首先從基于結構地震反應以及基于性能兩個方面介紹了橋梁抗震設計的理論，然后闡述了既有橋梁抗震設防標準研究，最后提出了橋梁減隔震設計的原則以及常用的橋梁結構間隔裝置。

參考文獻：

[1]周連緒，葉愛君，劉騰飛.城市軌道交通橋梁抗震設計[J].土木工程與管理學報，2017，34（6）：121-125+140.

[2]石育銘.城市橋梁抗震設計探討[J].珠江水運，2014（19）：86-87.

[3]韓鵬，王君杰，董正方.城市軌道交通高架橋梁抗震設計中的關鍵問題[J].震災防御技術，2010，5（1）：32-42.

[4]牛植田.城市匝道橋梁的抗震設計研究[J].黑龍江交通科技，2021，44（1）：81-83+87.