淺談橋梁的抗震設計

鄭學倫

（商洛市交通設計院，陜西 商洛 726000）

橋梁工程又是交通網絡中的重中之重，橋梁工程抗震研究的重要性不言而喻?？拐鸶拍钤O計是指根據地震災害和工程經驗等獲得的基本設計原則和設計思想，正確地解決結構總體方案、材料使用和細部構造，以達到合理抗震設計的目的。合理的抗震設計，要求設計出來的結構在強度、剛度和延性等指標上有最佳的組合，使結構能夠經濟地實現抗震設防的目標。本文主要探討了橋梁工程抗震設計相關問題，為今后橋梁設計起到借鑒作用。

1 橋梁的震害及特征

對國內外震害的調查表明，在過去的地震中，有許多橋梁遭受了不同程度的破壞，其主要震害有以下幾點。

1.1 橋臺震害

橋臺的震害主要表現為橋臺與路基一起向河心滑移，導致樁柱式橋臺的樁柱傾斜、折斷和開裂：重力式橋臺胸墻開裂，臺體移動、下沉和轉動；橋頭引道沉降，翼墻損壞、開裂，施工縫錯工、開裂以及因與主梁相撞而損壞。橋臺的滑移與傾斜會進一步使主梁受壓破壞，甚至使主梁坍毀。

1.2 橋墩震害

橋墩震害主要表現為橋墩沉降、傾斜、移位，墩身開裂、剪斷，受壓緣混凝土崩潰，鋼筋裸露屈曲，橋墩與基礎連接處開裂、折斷等。

1.3 支座震害

在地震力的作用下，由于支座設計沒有充分考慮抗震的要求，構造上連接與支擋等構造措施不足，或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素，導致了支座發(fā)生過大的位移和變形，從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落及支座本身構造上的破壞等，并由此導致結構力傳遞形式的變化，進而對結構的其他部位產生不利的影響。

1.4 梁的震害

橋梁最嚴重的震害現象是主梁墜落。落梁主要是由于橋臺、橋墩傾斜、倒塌，支座破壞，梁體碰撞，相鄰墩間發(fā)生過大相對位移等引起的。

1.5 地基與基礎震害

地基與基礎的嚴重破壞是導致橋梁倒塌，并在震后難以修復使用的重要原因。地基破壞主要是指因砂土液化、不均勻沉降及穩(wěn)定性不夠等因數導致的地層水平滑移、下沉、斷裂?；A的破壞與地基的破壞緊密相關，地基破壞一般都會導致基礎的破壞，主要表現為移位、傾斜、下沉、折斷和屈曲失穩(wěn)。

1.6 另外橋梁結構的震害還表現在

結構構造及連接不當所造成的破壞、橋臺臺后填土位移過大造成的橋臺沉降或斜度過大而造成墩臺承受過大的扭矩引起的破壞。

2 橋梁的抗震設計

橋梁的抗震設計應分兩階段進行：在方案設計階段進行抗震概念設計，選擇一個較理想的抗震結構體系；在初步或技術設計階段進行延性抗震設計，并根據設計思想進行抗震能力驗算，必要時進行減、隔震設計提高結構的抗震能力。

2.1 抗震概念設計

由于地震發(fā)生的不確定性和復雜性，再加上結構計算模型的假定與實際情況的差異，使“計算設計”很難控制結構的抗震性能，因而不能完全依賴計算。結構抗震性能的決定因素是良好的“概念設計”。因此，在橋梁的方案設計階段，不能僅僅根據功能要求和靜力分析就決定方案的取舍，還應考慮橋梁的抗震性能，盡可能選擇良好的抗震結構體系。在抗震概念設計時，要特別重視上、下部結構連接部位的設計，橋墩形式的選取，過渡孔處連接部位的設計以及塑性鉸預期部位的選擇。

為了保證所選擇的結構體系在橋址處的場地條件下確實是良好的抗震體系，必須進行簡單的分析 (動力特性分析和地震反應評估)，然后結合結構設計分析結構的抗震薄弱部位，并進一步分析是否能通過配筋或構造設計，保證這些部位的抗震安全性。最后，根據分析結果綜合評判結構體系抗震性能的優(yōu)劣，決定是否要修改設計方案。

2.2 橋梁延性抗震設計

目前延性抗震驗算所采用的破壞準則主要有：強度破壞準則、變形破壞準則、能量破壞準則、基于低周疲勞特征的破壞準則以及用最大變形和滯回耗能來表達的雙重指標破壞準則等。Housner在對懸臂式單質點系統(tǒng)的非線性地震反應進行分析后，將其破壞機理總結為：在形成完全的塑性反應之前，出現某種程度的塑性應變，由此而消耗的能量自然的構成結構等效粘滯阻尼的一部分；當完全進入塑性變形后，產生塑性漂移，并在單方向發(fā)展直到倒塌發(fā)生。他認為塑性反應階段，保證結構不破壞的條件是讓其保有足夠的耗能能力。

2.3 常用的抗震設計方法

增加結構的柔性以延長結構的自振周期，達到減小由于地震所產生的地震荷載和增加結構的阻尼或能量耗散能力以減小由于地震所引起的結構反應是實用的抗震方法。當前，比較容易實現和有效的抗震方法主要有以下幾點。

(1)采用隔震支座。采用減、隔震支座(聚四氟乙烯支座，疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座等)在梁體與墩、臺的連接處增加結構的柔性和阻尼以減小橋梁的地震反應；采用減、隔震支座橋梁結構的梁體通過支座與墩、臺相聯(lián)結，大量的試驗和理論分析都表明其聯(lián)結方式對橋梁結構的地震反應有很大的影響，在梁體與墩、臺的聯(lián)結處安裝減、隔震支座能有效地減小墩、臺所受的水平地震力。

(2)采用隔震支座和阻尼器相結合的系統(tǒng)。利用橋墩在地震作用下發(fā)生彈塑性變形耗散地震能量以達到減震的目的，利用橋墩的延性抗震。近20年來，國外在橋梁減、隔震和延性抗震方面進行了許多研究，美國、新西蘭和日本等在橋梁設計規(guī)范中都列入了相應的條款。

(3)利用橋墩延性減震。利用橋墩的延性減震是當前橋梁抗震設計中常用的方法，橋墩延性減震是將橋墩某些部位設計得具有足夠的延性，以便在強震作用下使這些部位形成穩(wěn)定的延性塑性鉸產生彈塑性變形來延長結構周期、耗散地震能量。在進行延性抗震設計時，按彈性反應譜計算塑性反應的地震荷載需要修正，橋梁抗震設計規(guī)范采用了綜合影響系數來反映塑性變形的影響。

2.4 新型橋梁抗震設計方法

傳統(tǒng)橋梁的抗震設計，是從強度和延性等方面來確保橋梁具有足夠的抗震能力，使之在地震作用下不垮。然而由于人們尚難以準確估計橋梁結構的抗震能力和地震作用，因而橋梁結構在地震中嚴重破壞或倒塌的例子很多。型鋼混凝土結構是在混凝土上包裹型鋼做成的結構。它與鋼筋混凝土結構相比具有一系列優(yōu)點。其承載力可以高于同樣外形的鋼筋混凝土構件承載力一倍以上，具有較好的抗剪能力，延性比明顯高于鋼筋混凝土結構，滯回曲線較為飽滿，耗能能力有顯著的提高，從而呈現出良好的抗震性能。能夠隔離、吸收和耗散地震能量，減小橋梁結構的地震反應，使橋梁的變形限制在彈性范圍，避免由于產生塑性變形而造成累積損傷破壞和永久殘余變形，這大大提高了橋梁結構的安全度；同時可以節(jié)約材料，降低造價。型鋼混凝土中的型鋼除采用軋制型鋼外，還廣泛使用焊接型鋼，常用的截面型式有H型、E型、T型等，而采用矩形及圓鋼管混凝土結構是在型鋼混凝上結構、螺旋配筋混凝上結構以及鋼管結構的基礎上演變和發(fā)展起來的一種新型結構。

3 結語

目前地震雖然是不可控制的，但只要我們加強對橋梁震害及抗震機理的深入研究，在橋梁設計過程中認真分析地震時結構的特性和反應，精心采取一系列科學有效的抗震設計，制定先進的抗震設防原則，嚴格控制工程質量，就一定能將地震損失降到最小，并確保交通運輸線路的暢通無阻。

[1]范立礎，胡世德，葉愛君.大跨度橋梁抗震設計[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]聶利英.[D].上海:同濟大學橋梁工程系,2002.