淺析預制裝配式橋梁抗震設計及抗震措施

王成江WANG Cheng-jiang

（廣州市城建規劃設計院有限公司市政四分院，廣州 510000）

0 引言

我國地處環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受板塊之間的擠壓影響，我國地震活動頻度高、影響大，尤其是位于東南沿海及西南地區的地震。我國年均發生24次5級以上地震，對人民的生命及財產安全造成巨大的威脅。地震發生后，道路交通成為救援的生命線，保證生命線的暢通尤其重要。其中橋梁是生命線的重要節點，因此，國家出臺相應的橋梁抗震設計條文，明確橋梁設計中，要保證橋梁小震不壞，中震可修，大震不倒。大震情況下，能緊急臨時加固，保證救援通道暢通。

因此，研究橋梁結構在地震發生后的破壞形態及其破壞原因，分析目前橋梁設計中存在的問題，提出相應的抗震設計方法，進而提高橋梁的抗震能力，確保橋梁在震后救災和家園重建的過程中滿足相應的交通需求，具有重要的意義和價值。

1 預制裝配式橋梁地震中易發生的問題

隨著我國經濟發展水平的不斷提高，社會發展需要配套的基礎設施建設。目前規劃的國家公路網約40萬里程。為了使縮短建設的時間，保證橋梁的施工質量，現在長一些的橋梁，基本都是采用預制裝配式的。預制裝配式上部結構能進行工廠化生產，既提高了效率，也保證了質量。時間上，上下部結構可以同步施工，預制梁現場吊裝，大大縮短了工期。因此，我國預制裝配式橋梁的占比很高，很多地區也頒布了一些適合本地區的通用圖，供設計者參考使用。鑒于預制裝配式橋梁使用如此之廣，跨越我國疆域之大，有些橋梁不可避免地會建設于高烈度的地震區。因此，設計者應根據工程場地實際情況，合理地設計橋梁抗震，使之符合相關地震區特性及規范要求。

1.1 下部結構易發生開裂、變形、剪切破壞

橋梁下部結構，在地震動的作用下，會產生可見的較大變形，繼而會讓下部結構產生開裂，甚至破壞。相關地震受災地區的橋梁墩柱的調查資料顯示，在墩底和墩頂的位置，是橋墩發生損壞的關鍵節點。損傷小的會出現裂紋，損傷大的則外部混凝土已經脫落，露出的鋼筋發生屈曲，有的甚至還發生剪切破壞。

1.2 上部結構易發生位移、落梁

上部結構的預制梁，主要是受上下部結構相對位移及下部結構損壞的影響而發生損傷的。當下部結構產生較大位移或者破壞時，上部結構會隨著下部結構的變化而變化。輕則導致梁體平動、扭轉及碰撞，重則發生落梁破壞。

1.3 支座易發生剪切變形超限、脫空

支座作為承上連下的構件，在橋梁中至關重要。橋梁在地震動中，在瞬時加速度的作用下，上下部結構相對位移，對支座產生剪切效應。支座的剪切變形若超過支座的變形能力時，支座將產生不可恢復的變形。變形更大的話，則會使支座脫空，使本該產生支撐作用的支座失效，進而導致上部預制梁的受力體系發生改變。此時鄰近的預制梁若不發生脫空，則會產生更大的支座反力，超過支座的承載能力。

1.4 場地發生液化

樁基若處于砂土等會產生液化的不良抗震地質情況時，液化的地基會對樁基產生不利的影響，繼而影響樁基與預制梁。液化的地基土相當于將原本穩定的土體變成了另外一種受力性質極差的土體，改變樁基原本的平衡受力狀態，讓樁基產生大變形大位移，危及上部結構安全。

2 預制裝配式橋梁抗震設計及抗震措施

2.1 考慮場址的穩定性

地震發生時橋梁所處地區的地質條件對橋梁震害有重要影響，故橋梁建設選址時應充分考慮地質穩定性，確保地震發生時橋梁基礎不會產生過大的位移，尤其要避免將橋梁修建在活躍斷層的區域。同時，應進行詳細的地質勘察，提前探明橋梁所處的地質情況，是否會出現地震導致的地基沉陷和砂土液化等問題。必要時，還需要專門進行地震安全性評價，用于指導設計。

橋梁所處的場地位置，一般由總體設計確定。因此，在前期設計時，設計者應提前熟悉橋梁所在場地，根據初勘資料判斷是否為抗震不良場地，提前在總體線位上避免橋跨處于不良抗震區域。不能避免時，應提前對橋梁結構方案進行專題抗震設計，使橋梁結構方案具備相應的抗震性能。

2.2 選擇合適的材料、增加約束及維護結構

在選擇材料的時候，需要依照地震場地實際狀況，選取強度高、抗震性能好的材料。設計時，在受力較大部位，以增加約束的方式，保證結構的可靠度，例如在橋墩上增設系梁，減小了橋墩的計算長度，增加了橋梁結構的穩定性。必要時，可在橋梁周圍設置抗震維護結構，例如，橋梁結構地處山腳下，且山體在地震作用下易受擾動時，需設計防震圍擋結構，防止地震引發的山體滑坡直接沖擊橋梁，導致橋梁損壞或者倒塌。

2.3 橋梁抗震的結構模擬計算

根據橋梁結構在地震作用下動力響應的復雜程度，可將橋梁分為兩類，即規則橋梁和非規則橋梁。對于規則橋梁的抗震分析、設計與校核，根據目前積累的大量震害經驗及理論研究成果，采用簡化計算方法和設計校核步驟就可以很好地把握其在地震作用下的動力響應特性，并使設計的結構滿足規范預期的性能要求。對于非規則橋梁，由于其動力響應特性復雜，采用簡化計算方法不能很好地把握其動力響應特性，因此《公路橋梁抗震設計規范》JTG/T 2231-01—2020要求采用比較復雜的分析方法和設計校核過程來確保其在實際地震作用下的性能滿足規范的設計要求。E1地震作用下，結構處在彈性工作范圍，可采用反應譜方法計算，對于規則橋梁，由于其動力響應主要由一階振型控制，因此可采用簡化的單振型反應譜方法計算。E2地震作用下，雖然容許橋梁結構進入塑性工作范圍，但可以利用結構動力學中的等位移原理和等能量原理，對結構的彈性地震位移反應進行修正來代表結構的非線性地震位移反應，因此也可采用反應譜方法進行分析；但對于多聯大跨度連續梁橋等復雜結構，只有采用非線性時程的方法才能正確預計結構的非線性地震反應。[1]一般橋梁可以采用計算機程序輔助計算的方式來進行抗震計算，計算結果基本可以滿足工程需要。但當設計特大橋或者復雜橋梁的時候，除了進行電算，還需要采用微縮模型進行實驗。實驗模型要能反應結構的動力特性。實驗能更準確地反應橋梁結構在地震作用下響應，可以發現一些電算結果所不能發現的問題，將隱患的苗頭提前掐滅。

2.4 墩柱抗震設計

墩柱是橋梁建設中的重點所在，不僅起到支撐橋梁上部結構的作用，而且對于減震和隔震也發揮著關鍵作用，因此墩柱也是抗震設計的重點之一。橋梁結構抗震設計應按《公路橋梁抗震設計規范》JTG/T 2231-01—2020規范要求，采取兩水準抗震設防。E1地震作用下，橋梁結構不發生損壞。此時注意橋墩的尺寸及配筋，在E1地震作用下，不能出現裂縫，能保證震后不用維修加固就能正常使用。當出現E2地震作用時，橋梁不能出現垮塌。此時可考慮墩頂墩底進入塑性狀態，依靠塑性鉸進行耗能，既規范所說的延性設計。目的是讓設計的塑性鉸要在地震作用下，發揮其作用。注意不能讓非塑性鉸部分在地震作用下先于塑性鉸位置發生損壞。因此，還需對其它結構位置進行能力保護構件的設計。

2.5 橋梁的細部構造措施設計

橋梁的抗震細部構造措施，對橋梁結構應對地震損害，防止進一步損傷具有重大意義。例如，在梁端設置防止落梁的縱向限位措施，將梁底與橋墩蓋梁用鎖鏈聯系起來，當產生較大位移時，能防止梁體發生落梁。同樣限位道理，在蓋梁左右側設置防震擋塊，也是很有效的限位措施。橋梁設計時，也需根據《公路橋梁抗震設計規范》JTG/T 2231-01—2020的要求，保證局部構造尺寸滿足抗震要求。

2.6 設置減隔震裝置

近年來，減隔震成為橋梁抗震的有效措施。新西蘭、日本、意大利和美國的幾百座橋梁在抗震設計中都采用了隔震原理和技術。隔震的主要目的就是延長結構的基本周期，降低地震力，但是地震力的降低必然伴隨著結構位移的增大，另外，長周期橋梁在使用荷載下容易發生振動。所以，在延長結構周期的同時，通常使用阻尼裝置，這樣，既可以控制結構位移，也可以增加剛度。由于降低了地震力，上部結構和基礎節約了成本，長期抗震維修費用也得到降低，隔震裝置的費用可以得以彌補。橋梁減隔震系統有三個基本要素：一定的柔度，以延長橋梁周期、降低地震力；阻尼或能量耗散裝置，用來減小支承面處的相對位移；一定的剛度，保證結構在低載或使用荷載（如風載或制動力）下正常工作。[2]目前，減隔震裝置的類型很多，例如摩擦擺隔震支座、高阻尼抗震橡膠支座、球形抗震支座等等。設計者應根據結構的動力相應，抗震支座容許的承載力、位移，抗震支座的阻尼特性等，選擇適合對應橋梁結構的支座。

2.7 完善抗震設計規范體系

在進行橋梁設計時，設計者應注重對橋梁的抗震性能進行設計，設計出符合場地烈度，場地地震動特性的橋梁抗震體系。并在工程實踐及實驗中，從可靠的橋梁抗震體系、抗震措施中汲取經驗，總結理論。從發生震害的“本可避免”事故中吸取教訓。為抗震設計規范建言獻策，不斷輔助完善已有的橋梁設計抗震規范體系，編制出適用于本國本地區的規范。從而減少地震對橋梁的損害，保障人民的生命財產安全。

2.8 采用監控橋梁的物聯網技術

物聯網技術是互聯網時代的新科技。在橋梁施工、運營、維護過程中，起著重大的作用。我們可以通過提前預裝在橋梁上的傳感器，監控橋梁此時此刻的狀態，收集全部數據后，還可以對數據進行處理分析，提前預判橋梁未來可能發生的狀況，做好應對措施。尤其是橋梁在發生震害后，能及時準確地反饋出橋梁的健康狀況，準確地查出損壞部位，在短時間內能為橋梁進行維修加固。這對于震后分秒必爭的救援時間，無疑是非常重要的。

圖1結構計算模型

3 工程實踐

筆者曾參與一個跨鐵項目，由于涉鐵橋梁的重要性要遠高于一般公路橋梁，因此，對該預制裝配式橋梁進行抗震計算。

該項目的道路等級為二級公路，設計車道數為雙向四車道，設計速度40km/h。抗震設防烈度為7度，地震動峰值加速度0.12g，Ⅳ類場地，特征周期0.75s。E1地震重要性為0.61，E2地震重要性系數為2.14。

橋梁主橋設計跨徑為2×40m預應力砼（后張）連續小箱梁，主橋前后各一聯的引橋，均為2×28m采用預應力砼（后張）連續小箱梁，橋梁斜交60°。主橋上部小箱梁梁高2.2m，頂板厚0.2~0.33m，底板厚0.2～0.36m，腹板厚0.20～0.32m，腹板厚度按線性變化。引橋上部小箱梁梁高1.6m，頂板厚0.2m，底板厚0.2～0.3m，腹板厚0.19～0.32m，腹板厚度按線性變化。主橋橋墩采用1.6×1.6m方柱，柱間距為5m，蓋梁高度為2.3m，寬度為2.4m，采用矩形承臺加8根樁徑為?1.0m的鉆孔灌注樁的基礎形式。引橋橋墩采用1.4×1.4m方柱墩，柱間距為3.0m，蓋梁高度為1.7m，寬度為2.0m，采用矩形承臺加6根樁徑為?0.8m的PHC預應力管樁的基礎形式。支座采用四氟滑板橡膠支座+鉛芯橡膠支座形式。

采用通用有限元軟件MIDAS CIVIL模擬上下部結構（如圖1），考慮結構的質量、剛度、阻尼特性，輸入3條地震波進行模擬，分別模擬E1、E2地震作用下的結構動力響應。

由于墩身在地震作用下為薄弱構件，也是重要構件，表1、表2對橋墩進行分析。

表1 E1地震作用下墩身控制截面計算表

表2 E2地震作用下墩身控制截面計算表

由計算結果可知，E1地震作用下計算結果均滿足要求。

由計算結果可知，在E2縱向地震作用效應組合工況下，橋墩處于彈性狀態，未進入屈服，滿足要求。

墩身計算結論：由以上計算結果可知，在E1、E2地震作用下，墩身的結構抗力很好地滿足了在地震作用下的要求，墩身結構設計合理。

4 結語

我國是橋梁建設大國，尤其在公路橋梁方面，預制裝配式橋梁使用范圍甚廣。因此，保證橋梁在全生命周期內，安全可靠地運營是極其重要的。有必要在橋梁設計過程中，通過對橋梁抗震體系、抗震措施的預先設計，減少在運營過程中出現的震害，減少人民的生命財產損失。相信在新材料、新科技、新理論的推動下，橋梁抗震設計會有更大的飛躍。