防震設計措施在公路橋梁設計中的應用

黃飄

（撫州贛東公路設計院有限公司，江西撫州 344000）

0 引言

抗震設計是公路橋梁設計中非常重要的一部分，也是設計難點。綜合分析多方面的因素，選擇最佳的抗震結(jié)構，可以確保橋梁在地震發(fā)生之后避免發(fā)生嚴重的損壞，保持結(jié)構的完整性和安全性，進而保護民眾的生命財產(chǎn)安全。因此，必須加強公路橋梁防震設計，全面保證公路橋梁的安全性。

1 橋梁震害分析

地震是非常嚴重的自然災害，會對公路橋梁構成嚴重的危害。如果公路橋梁在設計的過程中，沒有落實抗震設計理念，會影響結(jié)構性能，對正常使用也會產(chǎn)生一定的影響。橋梁震害可從如下幾個方面進行分析：

其一，發(fā)生地震之后，梁式結(jié)構受到地震位移作用的影響，橋梁上部活動節(jié)點會出現(xiàn)位移。如果梁蓋結(jié)構寬度設置不合格，梁體結(jié)構會發(fā)生相互碰撞的情況，甚至會造成落梁現(xiàn)象，導致橋梁結(jié)構破壞嚴重。

其二，對于拱式橋梁結(jié)構，地震發(fā)生之后，破壞主要存在于腹拱和拱上。通常在地震出現(xiàn)之后，拱圈的拱腳和拱頂位置上會發(fā)生裂縫，嚴重時會出現(xiàn)隆起變形。地震出現(xiàn)后，橋梁地基可能會出現(xiàn)液化現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)液化問題，會嚴重損壞橋梁的基礎結(jié)構，會發(fā)生表面位移的問題，對整個橋梁結(jié)構的穩(wěn)定性造成不利影響。

很多橋梁在設計的過程中，沒有考慮到支座結(jié)構的抗震性能。如果支座結(jié)構抗震性不達標，在地震發(fā)生之后，支座會發(fā)生較大的位移和變形，上部結(jié)構的穩(wěn)定性也會受到影響，會導致多個橋梁結(jié)構損壞，橋梁的下部結(jié)構也有可能在地震發(fā)生之后出現(xiàn)大量橫向、豎向裂縫。這種裂縫會在地震作用下持續(xù)發(fā)展，最終導致下部結(jié)構穩(wěn)定性不合格，影響整個橋梁的正常運行。如果橋梁工程本身就建設在軟土地基的地質(zhì)條件之下，在地震發(fā)生后，地基結(jié)構破壞會更為嚴重，橋梁可能發(fā)生整體性移動。因此，在公路橋梁設計中需要采取合理的抗震設計方案[1]。

2 公路橋梁抗震設防標準

公路橋梁在地震作用下容易發(fā)生嚴重損壞，對民眾的生命財產(chǎn)安全構成巨大威脅，因此公路橋梁的抗震設計工作必須得到全面落實?？拐鹪O防標準的制訂需要綜合考慮多個因素，包括地震活動的概率、地震波的強度、橋梁結(jié)構的類型和用途等。一般情況下，抗震設防標準主要包括以下幾個方面：

其一，地震概率。根據(jù)地震活動性和歷史地震數(shù)據(jù)，確定特定地區(qū)在一定時間內(nèi)發(fā)生地震的概率。通常以年為單位表示，如百年一遇、五十年一遇等。

其二，地震加速度。根據(jù)地震波的強度和頻率特性，確定地震時橋梁所受到的最大水平加速度，這個參數(shù)能夠反映地震對橋梁結(jié)構的影響程度，是抗震設計的基礎。

其三，地震作用頻率。地震波的頻率特性會影響橋梁結(jié)構的動力響應。設計過程中應考慮結(jié)構的固有頻率和地震波的頻率，確保橋梁在地震作用下不會發(fā)生共振現(xiàn)象，從而避免結(jié)構損壞。

其四，抗震性能目標。根據(jù)橋梁的重要性和用途，確定不同的抗震性能目標，包括破壞限制狀態(tài)、臨界狀態(tài)和安全限制狀態(tài)等。這些目標能夠反映橋梁在地震下的承載能力和變形能力。

其五，結(jié)構材料和構造要求。根據(jù)橋梁的類型和使用情況，規(guī)定適用的結(jié)構材料、構造方式和施工要求，包括鋼筋混凝土橋梁的橫縱向抗震加固、橋墩柱的延性設計等。

3 橋梁減隔震設計原理與原則

3.1 設計原理

隨著時代的發(fā)展和進步，橋梁技術水平日益提升，很多先進技術不斷應用到實際工作中，在當前的橋梁減隔震設計中，要考慮橋梁的剛度、強度等性能，尤其要重視關鍵部位的隔震設置，提高橋梁設計水平，保證抗震效果合格，同時要具備較高的經(jīng)濟性和美觀性，以更好地滿足公路橋梁的運行需要[2]。

3.2 設計原則

當前，橋梁結(jié)構形式多樣化，設計要求和使用場景也存在一定的差異性，所以在橋梁設計之前，要先明確設計目標，確定設計標準和要求，以確?？拐鹪O計符合橋梁的建設和運營需要。并且，抗震設計不是獨立存在的，在設計過程中應將抗震設計和橋梁的整體性設計相結(jié)合，以確保結(jié)構設計達到理想效果。

同時，為了提高整體設計水平，需要綜合分析多個方面的要素，在確?？拐鹦阅苓_標的情況下降低建設成本。在設計環(huán)節(jié)，各項工作的順利開展離不開數(shù)據(jù)的支持。因此，技術人員需要進入現(xiàn)場進行全面勘察，獲取水文地質(zhì)及周邊環(huán)境的具體情況，綜合考慮各個方面的因素，并分析細節(jié)影響，從而提升橋梁的設計水平。此外，在選擇和安裝相應的隔震裝置時，除了需要達到穩(wěn)定性的要求，還應從適用性和經(jīng)濟性方面進行考量和分析。

4 公路橋梁的防震設計要點

4.1 一般防震設計

4.1.1 地段選擇

進行橋梁工程建設之前，應盡量選擇地勢平坦、地質(zhì)條件較好、承載性能高的位置進行建設。在公路橋梁設計開始之前，設計人員需要對建設地點進行合理分析，選擇最佳的建設位置，并充分了解現(xiàn)場的地質(zhì)條件以及以往地震活動情況，以避免在不適宜的地段進行建設。同時，應采取必要的防護措施，以免施工過程受到地震災害的影響。

4.1.2 設計合理的結(jié)構方案

公路橋梁設計人員進行路線和控制點選擇時，應避開地震烈度高、震害危害大的地段。在考慮現(xiàn)場地形條件變化的同時，確定最佳的設計方案，以確保橋梁的防震水平合格，降低地震對橋梁的危害[3]。

4.1.3 分析橋梁結(jié)構防震性強弱

分析橋梁結(jié)構的防震性強弱時，需要從地震作用特點到橋梁結(jié)構的抗震性能等多個因素進行考慮，以全面評估橋梁的防震能力。

首先，分析地震的特點。地震發(fā)生時，地震波的頻率、振幅以及方向等因素會直接影響橋梁結(jié)構的受力情況。通過對地震記錄和頻譜的分析，可以了解地震對橋梁的潛在威脅，從而為防震設計提供基礎數(shù)據(jù)。

其次，對橋梁結(jié)構的防震性能進行評估和分析。分析橋梁的幾何形狀、材料性能、結(jié)構類型等因素。設計人員可以通過數(shù)值模擬和結(jié)構力學分析，模擬地震作用下橋梁的受力和變形情況，評估結(jié)構的防震性能。在分析過程中，需要重點考慮橋梁結(jié)構在地震作用下容易發(fā)生破壞的部位和不易發(fā)生破壞的部位。同時，橋梁的設計參數(shù)和規(guī)范要求也是分析防震強弱的重要依據(jù)。國家和地區(qū)制訂的橋梁設計規(guī)范通常會包含關于地震荷載、抗震設防水平等方面的規(guī)定。設計人員需要將橋梁的設計參數(shù)與規(guī)范要求進行對比，評估是否滿足防震要求。如果發(fā)現(xiàn)不足之處，需要通過合理的措施提高橋梁的防震性能。

最后，對于已有的橋梁結(jié)構，可以通過現(xiàn)場勘察和監(jiān)測來評估其防震強弱。通過實際測量和觀察，以了解橋梁在地震后的受損情況，進一步驗證防震性能分析的準確性，并為后續(xù)的維護和加固提供指導。

4.2 橋梁防震設計方法

4.2.1 強度設計

我國最初進行防震設計時主要考慮強度設計，該方法將地震加速度作為橋梁破壞的唯一因素，沒有考慮結(jié)構本身的動力特性及結(jié)構反應所造成的影響。該設計方法存在一定的局限性，在此類設計方案下，如果結(jié)構失效，會導致強度、剛度無法達到要求，難以滿足防震需要。

4.2.2 延性設計

鑒于橋梁結(jié)構容易出現(xiàn)彈塑性破壞，我國目前在橋梁防震設計方面以延性反應譜法為主要方法。這種方法通過對橋梁結(jié)構的動力特性進行深入分析，考慮其在地震作用下的彈性和塑性變形情況。具體而言，需要先對各個主要震動應用譜曲線進行詳細研究，再根據(jù)最大地震反應力進行精確計算[4]。

4.2.3 基于性能的防震設計

根據(jù)性能進行橋梁的抗震設計是確保結(jié)構在地震發(fā)生時能夠保持穩(wěn)定并減少損害的關鍵，這種設計方法強調(diào)結(jié)構在地震作用下的實際響應，以性能為導向，更加貼近實際使用情況，可提高防震能力和安全性。

首先，根據(jù)性能進行橋梁的防震設計需要明確橋梁的防震性能目標，包括結(jié)構在地震作用下的變形、位移、傾覆等性能指標，以及對人員安全和功能保障的要求。設計人員需要充分了解橋梁的用途、重要性和使用環(huán)境，從而確定適合的性能目標。

其次，基于性能目標，進行地震荷載的確定和結(jié)構分析。通過考慮不同地震作用下的結(jié)構響應，包括彎曲、剪切、位移等方面的變化，設計人員可以評估結(jié)構的抗震性能。在這個過程中，采用現(xiàn)代的數(shù)值分析方法，如有限元分析，可以更加準確地模擬橋梁在地震中的情況。

最后，根據(jù)分析結(jié)果，進行結(jié)構防震設計和優(yōu)化。設計人員可以通過調(diào)整構件尺寸、布置、材料等參數(shù)來滿足性能目標。在這個過程中，需要考慮結(jié)構的整體穩(wěn)定性、抗震性能的提升以及經(jīng)濟性的平衡，以確保設計方案的可行性和有效性。

4.3 防震設計措施

4.3.1 橋梁基礎處理

在公路橋梁建設中，如果地形地質(zhì)條件較差，需要對不良地質(zhì)結(jié)構采取相應的處理措施，有效恢復基礎結(jié)構性能，達到橋梁工程的運行標準。如果巖層比較淺，可采用擴大基礎的方式。如果地質(zhì)軟硬不均勻或砂層較厚、地下水位較高，為避免出現(xiàn)液化現(xiàn)象，可以增加橋梁結(jié)構的長度，設置合適的孔徑尺寸，使橋臺和橋墩能夠避開可能發(fā)生滑動、不穩(wěn)定的地段，可以合理增加橋梁樁基礎結(jié)構的深度，使其深入內(nèi)部巖層結(jié)構，形成強度較高的基礎結(jié)構，也可以選擇增加基礎底面積的方式，提高基礎結(jié)構的性能，使橋梁具備較高的抗震性，即使發(fā)生較大的地震也能保持完整性[5]。

4.3.2 積極采取減隔震設計

在公路橋梁防震設計中，減隔震設計是非常普遍的一種形式。該設計原理是將破壞橋梁的地面運動和結(jié)構分離，從而達到隔震效果，避免地震對橋梁結(jié)構造成過大的破壞力。

首先，減隔震設計的核心是在橋梁結(jié)構與地基之間引入隔震裝置，使得橋梁在地震時可以相對獨立地運動。常用的隔震裝置包括彈簧隔震、摩擦隔震、液體隔震等，這些裝置可以減輕地震引起的振動傳遞，降低結(jié)構的震動響應，從而降低結(jié)構的破壞風險。

其次，減隔震設計需要根據(jù)地震參數(shù)、橋梁結(jié)構特點以及使用環(huán)境等因素合理選擇和配置隔震裝置。設計人員需要通過數(shù)值模擬和分析，確定隔震裝置的性能參數(shù)，以及其對橋梁結(jié)構的影響。同時，需要考慮隔震裝置與橋梁的連接方式、調(diào)整機制等細節(jié)，以確保隔震系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，需要考慮橋梁與隔震裝置之間的相互作用。在地震發(fā)生時，隔震裝置會對橋梁產(chǎn)生一定的位移和變形，因此需要對橋梁的附屬部件、鋪裝、管線等進行合理布置和設計，以適應隔震系統(tǒng)的運動。

最后，需要對減隔震設計進行性能驗證和監(jiān)測。橋梁建成后，需要進行隔震系統(tǒng)的性能測試，確保其減隔震效果符合設計要求。此外，后期還需要進行定期的隔震系統(tǒng)監(jiān)測和維護，以保障其長期穩(wěn)定運行[6]。

4.3.3 橋墩處理

在橋梁工程中進行橋墩防震設計時，應盡量選用等截面的橋墩結(jié)構形式，盡量避免選用錐形結(jié)構形式，以減小縱波應力，保護結(jié)構的完整性。如果橋墩的直徑較大，需要承受較大的拉力，可以采用預埋鋼筋的方式將橋梁和橋墩結(jié)構連接起來，以防止地震時橋面砸壞橋墩。此外，在支座位置設置彈簧等緩沖構件可避免橋面下落，防止橋墩結(jié)構損壞。

4.4 注意隔震細節(jié)設計

為了保證隔震效果，應從結(jié)構部件、隔震裝置的選擇及施工質(zhì)量等多個方面入手，加強細節(jié)方面的設計。

首先，選擇結(jié)構部件時，要確保隔震部件達到協(xié)調(diào)性和連續(xù)性的要求，能夠滿足公路橋梁的正常使用標準。此外，橋梁表面和支架區(qū)域之間的縫隙，以及橋墩結(jié)構和橋梁的連接位置等，需要優(yōu)化細節(jié)方面的設計，以確保連接性能達到要求，避免影響抗震性能。

其次，在隔震設計環(huán)節(jié)，應選擇最佳的隔震裝置，確保隔震裝置原材料的隔震效果達到要求，并進行細節(jié)方面的處理，以確保結(jié)構的安全性和穩(wěn)固性達標。

最后，在施工方面，要確保各個結(jié)構部分的施工都符合設計方案和技術標準，從而提高橋梁工程的抗震水平。

5 結(jié)語

綜上所述，在公路橋梁設計環(huán)節(jié)，應以防震設計理念與科學性理念為指導，嚴格執(zhí)行國家標準和設計規(guī)范，綜合考慮現(xiàn)場具體情況，全面落實各項防震設計措施，保證各項參數(shù)都符合要求，重視細節(jié)方面的設計，進而提升防震設計總體水平，為公路橋梁工程防震效果的提升奠定基礎。