橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與設(shè)防措施研究

楊健

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

作為公路工程建設(shè)的重要部分，橋梁工程建設(shè)質(zhì)量與人們的出行安全息息相關(guān)，橋梁工程施工環(huán)境大多較為復(fù)雜，工程的后期運(yùn)營維護(hù)也面臨著較大的壓力，因此，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時，必須高度關(guān)注其結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，提高橋梁工程的承載力，保障安全性。抗震設(shè)計(jì)也是橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，不僅能增強(qiáng)橋梁工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還能降低由地震等自然因素對橋梁工程造成的破壞。若橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震性與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求不符，一旦地震發(fā)生，橋梁結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)坍塌，導(dǎo)致的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失不可估量。所以，對橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與設(shè)防措施進(jìn)行針對性研究，具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)和理論意義。

1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)概述

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則

在進(jìn)行橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員必須始終堅(jiān)持以下設(shè)計(jì)原則：首先，橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)必須圍繞工程所在地的基本地質(zhì)條件和地形結(jié)構(gòu)而展開。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員需全面了解工程所在地的地質(zhì)環(huán)境，明確區(qū)域地形結(jié)構(gòu)對抗震設(shè)計(jì)所提出的要求，綜合分析工程所在區(qū)域地震自然災(zāi)害發(fā)生的可能性和具體頻率，并根據(jù)橋梁工程建筑設(shè)計(jì)規(guī)模以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對橋梁結(jié)構(gòu)類型以及接觸結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行科學(xué)選擇[1]。

其次，橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)傾向有利于抗震的方向發(fā)展。在此過程中，需對橋梁工程建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效統(tǒng)一，防止高橋墩和大跨度結(jié)合所形成的不利于抵抗震動波的結(jié)構(gòu)形式。進(jìn)入設(shè)計(jì)階段后，設(shè)計(jì)人員還需采取減少上部結(jié)構(gòu)自重的方法，讓橋梁結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出有利于整體抗震的形式。

再次，橋梁工程的整體外觀形式設(shè)計(jì)也需發(fā)生改變，需保持較輕的自重和較小的剛度，展現(xiàn)出低重心的形式，為工程結(jié)構(gòu)的基本施工提供便利。與此同時，橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)必須有效提升工程結(jié)構(gòu)的安全性和整體性，橋梁的連接方式也必須保障安全。

最后，為實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)體系的修復(fù)，在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時，需盡可能地采用先進(jìn)的技術(shù)。在此過程中，還需對橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，增加抗震和隔震能力，并依托科學(xué)的力學(xué)計(jì)算，明確橋體結(jié)構(gòu)中鋼筋配比和鋼筋距離[2]。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的必要性

地震這一自然危害的出現(xiàn)，不僅會為區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來明顯的破壞，同時還會直接威脅到居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。從城市建設(shè)角度出發(fā)，橋梁工程的建設(shè)也是在地震災(zāi)害下落實(shí)搶險救災(zāi)，實(shí)現(xiàn)城市重建的重要基礎(chǔ)性設(shè)施。為了提升橋梁工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，有效抵御地震等自然災(zāi)害帶來的損害，橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須強(qiáng)化橋梁結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計(jì)，提高橋梁工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。與此同時，橋梁是交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，承載著大量車輛和行人的通行。在地震發(fā)生時，橋梁結(jié)構(gòu)容易受到震動影響，如果沒有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，可能發(fā)生倒塌或嚴(yán)重?fù)p壞，威脅到通行人員的生命安全。因此，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是保障人員安全的重要方式。另外，地震發(fā)生后，如果橋梁結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞，可能導(dǎo)致交通運(yùn)輸中斷，影響人們的日常出行和物資運(yùn)輸。抗震設(shè)計(jì)可以提高橋梁的抗震能力，減少地震對橋梁的破壞，確保交通運(yùn)輸?shù)臅惩ā８匾氖牵瑯蛄菏墙?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對于城市和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。地震對橋梁的破壞會導(dǎo)致重建和修復(fù)的巨大經(jīng)濟(jì)損失，抗震設(shè)計(jì)可以降低地震對橋梁的影響，減少經(jīng)濟(jì)損失。再加上抗震設(shè)計(jì)可以提高橋梁的耐久性和使用壽命，延長橋梁的使用期限。這有利于減少資源的消耗和浪費(fèi)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求[3-4]。

2 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法

2.1 靜力法

在當(dāng)前橋梁工程設(shè)計(jì)工作過程中，橋梁結(jié)構(gòu)抗震系數(shù)已成為廣大設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員必須對抗震方法進(jìn)行合理選擇，確保橋梁工程結(jié)構(gòu)最終的抗震效果與預(yù)期相符。而在實(shí)踐過程中，可借助靜力法開展抗震設(shè)計(jì)。如果各個物體與各個部分之間的地震震動相同，結(jié)構(gòu)上的作用僅局限在地面運(yùn)動或物質(zhì)質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力上，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時，就需忽視結(jié)構(gòu)的動力性，并依托地震的慣性力來完成結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析工作。而從動力學(xué)角度出發(fā)，地震加速度并非破壞橋梁工程結(jié)構(gòu)的唯一原因，除考量地震加速度對橋梁結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的破壞外，設(shè)計(jì)人員還需對動力特征方面的因素進(jìn)行分析。若結(jié)構(gòu)物的基本特征周期小于地面卓越周期，一旦發(fā)生地震，橋梁的結(jié)構(gòu)便不會被破壞。所以，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時必須正確認(rèn)知靜力法的作用，將靜力法合理融入抗震計(jì)算等領(lǐng)域，進(jìn)一步優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)。

2.2 反應(yīng)譜法

在應(yīng)用反應(yīng)譜法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)地震系數(shù)的取值來合理選擇水準(zhǔn)，并依據(jù)地震的加速度獲得規(guī)律數(shù)值。在此過程中，相關(guān)人員必須確定某個反應(yīng)在一定體系內(nèi)的阻尼比，并依據(jù)數(shù)據(jù)的搜集結(jié)果，明確地震加速度的變化情況，借助繪制曲線的方式了解實(shí)際平均值。在設(shè)計(jì)實(shí)踐工作中，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)不同的特征周期以及不同場地的對應(yīng)反應(yīng)譜完成日常的設(shè)計(jì)，并對反應(yīng)譜曲線進(jìn)行科學(xué)繪制，保證設(shè)計(jì)方案的合理性。

3 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)防措施

3.1 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

在開展橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作時，設(shè)計(jì)人員必須深入了解具體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的高效融合，保證設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和合理性。在實(shí)際工作中，設(shè)計(jì)人員要依據(jù)橋梁本身的特征，對其進(jìn)行綜合分類，并在此基礎(chǔ)上制訂正確的設(shè)計(jì)方案，目前我國橋梁工程設(shè)計(jì)的地震標(biāo)準(zhǔn)偏低，我國公路工程抗震設(shè)計(jì)對于地震結(jié)構(gòu)的反應(yīng)規(guī)律認(rèn)知也并不完善，致使抗震設(shè)計(jì)理念以及抗震設(shè)計(jì)所使用的方法存在明顯的偏差。所以在實(shí)際工作中，設(shè)計(jì)人員可對國外關(guān)于抗震設(shè)計(jì)方面的標(biāo)準(zhǔn)和具體要求進(jìn)行借鑒和參考，并結(jié)合我國當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)和抗震設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，與此同時，設(shè)計(jì)人員還需充分掌握工程的抗震要求，在設(shè)計(jì)工作中融合滲透新型的抗震設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)效果的優(yōu)化。

3.2 設(shè)防措施

3.2.1 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度

在實(shí)際設(shè)防工作中增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度至關(guān)重要，橋梁工程結(jié)構(gòu)的地震破壞大多是地震所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)震動。因此，在實(shí)踐過程中，相關(guān)人員必須依據(jù)地基的特征明確結(jié)構(gòu)的震動能量，并將其作為最小值，保證橋梁工程結(jié)構(gòu)滿足相應(yīng)的強(qiáng)度需求。與此同時，還需在不增加重量和高度的基礎(chǔ)上提高結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度，在選擇高度時必須綜合了解現(xiàn)場實(shí)際情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。作為決定橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力的重要參數(shù)，強(qiáng)度的保障至關(guān)重要，地震的出現(xiàn)極有可能導(dǎo)致橋梁工程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)反復(fù)變形，這也會致使橋梁結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度退化，所以在實(shí)踐過程中，相關(guān)人員需強(qiáng)化對此類問題的認(rèn)知，落實(shí)延性設(shè)計(jì)，對抗震設(shè)計(jì)模式和方案進(jìn)行優(yōu)化、完善和調(diào)整[5]。

3.2.2 做好場地整體規(guī)劃

在進(jìn)行場地整體規(guī)劃過程中，首先要全面了解地震的危險性，合理選擇施工位置。與此同時，還需對施工場地進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，為后續(xù)施工提供便利。進(jìn)入實(shí)踐階段后，為了有效規(guī)避地震所導(dǎo)致的地基失效，需要強(qiáng)化場地的處理，盡量選擇在較為堅(jiān)硬的場地進(jìn)行日常工作，保障橋梁的整體性，維持上部結(jié)構(gòu)的聯(lián)系性，防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件散落。在后續(xù)工作中，需結(jié)合空間作用的基本條件，優(yōu)化平面和立面上的結(jié)構(gòu)布局，對幾何尺寸和質(zhì)量等因素進(jìn)行綜合考量，確保剛度的均衡性。

3.2.3 優(yōu)化支座和布置方式

我國設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，并未過多關(guān)注支座結(jié)構(gòu)和造型，而現(xiàn)階段，應(yīng)用頻率較高的支座形式以普通橡膠支座形式為主。但是普通橡膠支座形式的弊端在于不能有效降低由地震造成的橋梁結(jié)構(gòu)損傷，甚至?xí)斐蓸蛄航Y(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞。所以，在進(jìn)行橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員必須對支座結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行科學(xué)選擇，需依據(jù)橋梁抗震設(shè)防的主要需求，選擇更契合的支座類型，同時，還需優(yōu)化支座的結(jié)構(gòu)布局，在固定支座時需綜合考量固定位置，對抗震設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的影響通過活動式支座布設(shè)的方法，對地震能量進(jìn)行分擔(dān)。

3.2.4 科學(xué)設(shè)計(jì)柱式橋墩

目前柱式橋墩是橋梁工程結(jié)構(gòu)中較為主流的形式之一，在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時，為優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能，設(shè)計(jì)人員也必須關(guān)注橋墩之間的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，橋墩的設(shè)置高度不宜過高，過高的橋墩很可能導(dǎo)致弱柱強(qiáng)梁的問題。橋墩之間的結(jié)構(gòu)高度也必須保持均衡度，避免強(qiáng)度等級差異過大[6]。

4 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

4.1 做好基礎(chǔ)性規(guī)劃

在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員必須落實(shí)基礎(chǔ)性規(guī)劃，依據(jù)橋梁工程所在的具體位置，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行完善。而在選擇施工位置時，必須選擇較為堅(jiān)硬的場地，若施工區(qū)域處于穩(wěn)定度不足的坡頂，則設(shè)計(jì)人員需關(guān)注施工場地的處理工作，在設(shè)計(jì)時要避免跨越地質(zhì)斷層。如果施工場地存在限制，要進(jìn)行地質(zhì)斷層的跨越，設(shè)計(jì)人員必須有效分析地質(zhì)情況，從安全角度出發(fā)，綜合考量后續(xù)的施工情況及效果。

與此同時，設(shè)計(jì)人員還需充分掌握橋梁的選型工作，對關(guān)鍵程序進(jìn)行有效把控，橋梁選型需全面考量地形、地質(zhì)條件等因素，在明確現(xiàn)場情況的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)抗震的合理設(shè)計(jì)，從技術(shù)層面優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)體系，保證抗震設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)效果。而傾斜地區(qū)的抗震性能本就相對低下，其對橋墩的基本動力放大系數(shù)也有著明顯的影響，這也會在一定程度上加深震撼發(fā)生的程度，一旦出現(xiàn)地震問題，便極易產(chǎn)生偏移和錯位現(xiàn)象，因此，在實(shí)際工作中，設(shè)計(jì)人員必須對這些問題引起高度重視。除此之外，對比不等跨結(jié)構(gòu)橋梁來說，對稱性結(jié)構(gòu)橋梁具有更優(yōu)的抗震性能，若橋梁橋墩高差過大，橋墩工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平震動力也會隨之增加，而該震動力很可能威脅到橋梁結(jié)構(gòu)的安全，所以，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時，也必須密切關(guān)注這一要點(diǎn)。

4.2 優(yōu)化抗震性能

在橋梁的設(shè)計(jì)階段，首先需要確定設(shè)計(jì)地震動參數(shù)，包括地震分區(qū)、設(shè)計(jì)地震烈度和設(shè)計(jì)地震加速度反應(yīng)譜等。這些參數(shù)是根據(jù)地震活動性、地震歷史記錄和工程所在地的地質(zhì)條件來確定的。一般來說，地震分區(qū)越高，設(shè)計(jì)地震動參數(shù)越大。之后，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)設(shè)計(jì)地震動參數(shù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)譜分析或時程分析，評估橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力情況。響應(yīng)譜分析是根據(jù)地震動參數(shù)和結(jié)構(gòu)的特性，計(jì)算出結(jié)構(gòu)在不同周期下的響應(yīng)加速度，并與結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行比較。時程分析則是利用地震動的時間歷程，模擬結(jié)構(gòu)在地震過程中的動態(tài)響應(yīng)。而在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮地震荷載的作用，通過合理的結(jié)構(gòu)形式和材料選用，提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。一般來說，抗震性能較好的結(jié)構(gòu)形式包括連續(xù)剛構(gòu)橋和懸索橋等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通常比鋼結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能，因?yàn)榛炷猎谝欢ǔ潭壬暇哂幸欢ǖ难有浴?/p>

此外，為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，還可以采取一些增強(qiáng)措施，如加固橋墩、設(shè)置防震支座、增加橋梁的剛度和強(qiáng)度等。同時，橋梁的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮地震作用引起的地動力和土壤液化等問題，并采取相應(yīng)的加固措施，如增加基礎(chǔ)底面積、加固樁基等。總之，橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)需要綜合考慮地震動參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、材料選用和加固措施等因素，以確保橋梁在地震發(fā)生時具備足夠的抗震能力，保證人員和交通的安全。

最后，在橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，連接件和節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也是非常關(guān)鍵的，它們承擔(dān)著傳遞力和保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要作用。連接件的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其抗震性能，確保能夠承受地震作用引起的水平力和豎向力。連接件的選材一般應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并具備較高的強(qiáng)度和剛度。常見的連接件包括螺栓、焊接、鋼筋連接等，在連接件的設(shè)計(jì)中，需要考慮強(qiáng)度、剛度、可靠性和施工方便等因素。

5 結(jié)語

綜上所述，在橋梁建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，抗震設(shè)計(jì)占據(jù)著重要地位，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，不僅能保障橋梁工程后續(xù)運(yùn)營階段的安全性和穩(wěn)定性，同時還能降低因地震等自然災(zāi)害對橋梁工程所造成的破壞。因此，橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須有效把控橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想和原則，合理選擇橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，做好橋梁結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)防措施，進(jìn)一步提高橋梁結(jié)構(gòu)抗震水平，為人們的出行安全保駕護(hù)航。