橋梁抗震設計關鍵點與減震、隔震設計的應用

雷亮

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，烏魯木齊 830000）

1 引言

地質災害對橋梁結構的影響巨大，甚至是毀滅性的影響，公路橋梁造成破壞的常見地質災害有滑坡、泥石流、地震[1]。本文主要針對地震對橋梁結構的影響進行研究。

我國一些地區位于地震活躍區，地震災害頻發，如1976年唐山地震、2008 年汶川地震。這些地震災害不僅對人們的生命安全造成了威脅，更多的是對建筑物的破壞。根據調查研究，1976 年的唐山地震對公路和橋梁等工程都造成了嚴重破壞，有超過50%的公路橋梁不能正常使用。為了加固橋梁結構，提高橋梁的抗震功能，我國不斷修改規范，使橋梁的抗震性能逐步提高。我國大多數規范和技術都在參照日本[2]。因為日本國家處于地震帶上，地震次數較多，有比較豐富的抗震設計經驗，因此，在技術上相對成熟。本文對橋梁設計的關鍵節點展開探討，討論減隔震技術在工程中的應用。

2 橋梁常見震害

為了更具針對性地研究地震對橋梁結構的破壞，現對地震造成的橋梁病害進行整理，見表1。

表1 橋梁各部位常見病害

在橋梁的整體結構體系中，支座及伸縮縫等支撐部位的連接構件發生破壞的概率最大。從一定程度上講，遭遇地震災害后，支座的破壞有效保護了橋墩和基礎。但是在設計中，要合理布置擋塊和連梁設備，以防支座破壞發生落架[3]。

3 橋梁抗震設計要點

3.1 橋梁上部結構設計要點

橋梁上部結構的形式直接影響著橋梁能否正常通行。對上部結構進行設計時，不僅要考慮其力學性能，還要考慮施工期間的施工工藝和運營后的路面保養。上部結構出現磨損、混凝土裂縫等現象都會影響橋梁的結構特性。為了避免該問題，不僅要提高上部結構的承載力，還要注重施工過程中的施工質量，調整設計方案。在地震中，橋梁上部結構和下部結構常因為產生了較大的位移而出現結構破壞，甚至坍塌（見圖1），因此，進行上部結構設計時，要考慮橋梁上部結構和下部結構的相對位移，將位移值控制在允許范圍內[4]。

圖1 某大橋坍塌

3.2 支座設計要點

3.2.1 支座的作用

支座作為連接上部結構和下部結構的部位，不僅可以傳遞梁部傳來的荷載，適應溫度和收縮變形等因素產生的結構位移，還可以在發生地震時對橋墩起到保護的作用。支座的主要制作材料是鋼材和橡膠，對地震造成的結構橫向振動有很好的緩解作用。支座的形式有很多，設計時，應根據不同的橋型和地域環境選擇不同的支座。

3.2.2 支座承載力的選擇

通過確定橋梁恒載、活載、支點處的反力以及墩臺處的支座個數，可以計算出支座需要具有的承載力。通常支座最大反力與支座容許承載力的比值小于或等于0.05、最小反力與支座容許承載力的比值大于或等于0.8 的支座是設計合理的支座。為了確保支座具有一定的滑移能力，需對其最小反力進行限制。另外，設計支座時，不需考慮設置冗余的安全儲備。例如，通過計算確定的支座處的最大反力和最小反力為分別為4 100 kN 和3 700 kN，選用承載力數值為4 000 kN 的支座即可。

3.3 基礎設計要點

基礎工程具有隱蔽性，因此，對于橋梁工程，基礎設計非常重要。據資料統計，有70%~80%的建筑物破壞都是因為基礎失穩，尤其是橋梁工程，所處的地質環境相對復雜，更要注重基礎工程設計。地震常導致原來正常的地基發生液化，使原有的基礎承載力顯著下降，橋梁結構因此發生破壞。

3.4 墩柱設計控制要點

在公路橋梁的建設中，墩柱結構是重要組成部分。墩柱結構一方面可以對橋梁上部結構起到支撐作用，另一方面也發揮著一定的抗震作用。對墩柱加強設計控制的核心在于對墩柱質量的控制，可以采取以下措施：

1）將墩柱自身的強度與地震時所承受的強度進行比較，從而對墩柱進行設計優化，確保具備足夠的承載力；

2）為保證墩柱質量，應重視墩柱配筋，計算配筋面積并合理選擇配筋型號，保證配筋所提供的抗彎承載力能滿足工程需要，提高墩柱自身的穩定性，在地震中發揮其抗震作用。

4 橋梁減震、隔震設計

4.1 減震、隔震設計的原理

在現代的公路橋梁以及基礎建設當中，運用隔震設計的目的是提高結構的柔韌性以及抵抗地震的能力[4，5]。為避免在地震災害發生時能量過于集中，應從災害能本源展開研究來進一步降低對于整體的破壞性。當地震發生時，地震波的振動頻率呈現出不規律性和復雜性，在一定頻率范圍內，地震波能量相對集中。另外，地震震動頻率隨著周期的延長而減小，延長結構的振動周期可以降低地震對結構的危害，盡可能避免產生地震能量集中。為了有效提升公路橋梁結構的整體穩定性，進行減震、隔震設計時，應基于上述規律明確地震作用下橋梁結構的震動周期，盡可能采用柔性支撐延長結構震動周期，消耗地震波產生的能量，這樣有利于緩解地震產生的振動作用。

4.2 減震、隔震設計的適用條件

在公路橋梁的減震、隔震設計中，應考慮橋梁結構的具體情況，在滿足科學合理性的前提下進行減震、隔震設計。如果橋梁地基不具備足夠的穩定性，且呈現松軟狀態，那么在延長橋梁結構振動周期后，會出現共振現象，在這種情況下，不能貿然采用減隔震技術，否則會對橋梁安全控制產生不利影響。為避免上述情況的出現，在橋梁工程建設過程中，應充分發揮現場勘察的作用，對橋梁附近的震害發生情況有全面而詳細的了解，計算并分析地震作用的影響，從而建立公路橋梁結構設計模型，更加合理地進行減震與隔震設計。另外，要確保橋梁上部結構具備較強的整體性和連續性，下部結構具備較高的剛度。

由于公路橋梁具備一定的復雜性和特殊性，部分橋梁工程的下部結構在高度方面存在非均勻變化，會導致地震作用進一步加劇。為避免上述情況的出現，在設計過程中應對橋墩結構進行研究分析，合理布置減震、隔震構件，以保證地震發生時，使橋梁下部結構具備充足的抗變形能力，有效抵抗震動作用，將慣性力對橋梁結構產生的不利作用減輕到最低。

總而言之，對橋梁進行減震、隔震設計時，首先應明確橋址區域的基本條件，充分掌握橋梁結構的特性等，在綜合多項因素的基礎上，科學合理地進行減震、隔震設計，提升地震作用下橋梁整體的抗震性能，最大化地減輕地震作用帶來的不利影響。

4.3 減震、隔震支座的應用

公路橋梁結構的整體穩定性與減震設計密切相關，對工程建設的整體質量有直接影響。通過采用減震、隔震支座，可以將結構整體的阻尼增大，優化結構的柔性，削弱地震作用對橋梁結構的影響[5]。減隔震支座一般布設于橋墩、橋臺與梁部的連接處。通過支座的合理應用，可以實現梁體和橋臺的良性連接，最大化地發揮減震作用，是提高公路橋梁結構整體穩定性的重要保障措施。當發生地震時，由于地震波的存在，會使橋梁整體發生上下振動和左右晃動，由于阻尼器和減隔震支座的存在，會削弱地震波能量，有效減輕地震波帶來的不利影響。因此，在公路橋梁的設計過程中，應以現實情況為依托，根據設計規范和標準，明確結構的最大加速度和支座最大位移的數值，從而選擇合適的減隔震支座。

同樣，鉛芯橡膠支座（見圖2）在公路橋梁中的應用也有利于提升整體結構的抗震性能。在地震作用下，鉛芯橡皮支座自身的屈服剪力等力學性能會得到充分發揮，使得自身的初始剪剛度改善，可以使橋梁整體結構剛度增大，抗震性能最終得以增強。除此以外，利用摩擦力和慣性差產生的滑移運動原理的滑動摩擦型阻尼支座同樣在橋梁減隔震技術中發揮著重要作用，在提升整體結構剛度的同時，通過減輕地震波帶來的不利影響，實現對橋梁整體的保護作用[6]。

圖2 鉛芯橡膠支座施工

5 結論

1）橋梁抗震設計的關鍵點是針對橋梁上部結構、支座、基礎及墩柱等構件開展抗震設計。

2）在公路橋梁的設計過程中，應以現實情況為依托，根據設計規范和標準，明確結構的最大加速度和支座最大位移的數值，從而選擇合適的減震、隔震支座。