试论道桥防震设计及桥梁减隔震技术

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摘 要：桥梁抗震设计是一项系统工程，体现在设计的各个阶段，需要认真对待。在工可研究阶段应该强化抗震概念设计，选择合理的桥位和桥型；在初步设计阶段强化抗震体系设计，确定合适的抗震设防标准和验算准则、进行结构的总体分析；在施工图设计阶段强化抗震构造设计，重视抗震构造采取的措施和构造细节。

关键词：道桥 抗震 设计

一、引言

随着城市现代化进程不断加快、城市人口的大量聚集和经济的高速发展 ，交通网络在整个城市生命线抗震防灾系统中的重要性不断提高，对桥梁的依赖性越发增强。而近几十年全球发生的多次破坏性大地震表明，作为抗震防灾、危机管理系统重要组成部分的桥梁工程在地震中受到破坏，将严重阻断震区的交通生命线，使地震产生的次生灾害进一步加重，给救灾和灾后重建工作带来极大困难。同时，桥梁作为重要的社会基础设施，投资大、公共性强、维护管理困难。提高桥梁的抗震性能是减轻地震损失加强区域安全的基本措施之一。根据以往地震中桥梁的震害情况，钢筋混凝土桥梁常见的破坏形式主要分为上部结构破坏、支座破坏、下部结构破坏和基础破坏等。

1.采用板式橡胶支座的桥梁，盖梁挡块在地震中破坏，可以有效减少下部结构所受地震力，但对于这种类型的桥梁抗震设计的关键是怎样采用合理的梁体限位装置、设置足够的梁敦合理搭接长度使梁移控制在不发生落梁的范围内同时又不增加墩柱地震力。

2.在高烈度地震区尽可能采用整体性和规则性较好的桥梁结构体系，结构的布置力求几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规则，避免突变的出现；从几何线性上看，尽量选用直线桥梁。

3.选择合理的连接形式对桥梁抗震性能十分重要。对于高墩桥梁，建议采用上部结构与下部结构有选择性的刚性连接（固结方式）；对于矮墩桥梁，上部结构和下部结构连接建议采用支座连接方式，并合理设置梁墩的搭接长度。

二、桥梁抗震的设计原则

合理的抗震设计，要求设计出来的结构在强度、刚度和延性等指标上有最佳的组合，使结构能够经济的实现抗震设防的目标。要达到这个要求，就需要设计工程师深入了解对结构地震反应有重要影响的基本因素，并具有丰富的经验和创造力，而不仅仅是按规范的规定执行。以下为抗震设计应尽可能遵循的一些基本原则，这些原则基于历次的桥梁震害教训和当前公认的理论认识。

1.场地选择。除了根据地震危险性分析尽可能选择比较安全的厂址之外，还要考虑一个地区内的场地选择。选择的原则是：避免地震时可能发生地基失效的松软场地，选择坚硬场地。

2.体系的整体性和规则性。桥梁的整体性要好，上部结构应尽可能是连续的。较好的整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被震散掉落，同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。无论是在平面还是在立面上，结构的布置都要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规整，避免突然变化。

3.提高结构和构件的强度和延性。桥梁结构的地震破坏源于地震动引起的结构振动，因此抗震设计要力图使从地基传入结构的振动能量为最小，并使结构具有适当的强度、刚度和延性，以防止不能容忍的破坏。在不增加重量、不改变刚度的前提下，提高总体强度和延性是两个有效的抗震途径。刚度的选择有助于控制结构变形；强度与延性则是决定结构抗震能力的两个重要参数。由于地震动可造成结构和构件周期反复变形，使其刚度与强度逐渐退化，因此，只重视强度而忽视延性绝对不是良好的抗震设计。

4.能力设计原则。能力设计思想强调强度安全度差异，即在不同构件（延性构件和能力保护构件-不适宜发生非弹性变形的构件统称为能力保护构件）和不同破坏模式（延性破坏和脆性破坏模式）之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异，确保结构在大地震下以延性形式反应，不发生脆性的破坏模式。在我国以前的建筑抗震设计中，普遍采用“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想。

5.多道抗震防线。应尽量使桥梁成为具有多道抵抗地震侧向力的体系，则在强地震动过程中，一道防线破坏后尚有第二道防线可以支撑结构，避免倒塌。因此，超静定结构优于同种类型的静定结构。但相对于建筑结构，桥梁在这方面可利用的余地通常并不大。

三、桥梁减隔震技术

减震是人为在结构的某些部位设置阻尼器或耗能构件，改变结构的动力性能，耗散结构吸收的地震能量，从而降低结构的地震反应。隔震则是指通过延长结构的自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输入，以此降低结构地震反应。对桥梁结构采用隔震技术的思想产生由来已久，减隔震技术 自诞生以来，受到了广泛的重视。第一座采用减隔震技术的桥梁是新西兰的 Mot桥，建于1973年，上部结构采用滑动支承隔震，阻尼由 U形钢弯曲梁提供。该桥建成后，减隔震技术在桥梁抗震中得到了迅速推广。美国第一次将减隔震技术用于桥梁是在 1984年，用于对Sierra Point Bridge进行抗震加固。1990年，美国新建了第一座采用减隔震技术的桥梁Sexton桥。在日本 ，第一座建成的减隔震桥梁是静岗县横跨 Keta河的宫川大桥，完成于1990年，是一座3跨连续钢桁架梁桥，采用铅芯橡胶支座作为减震构件。

桥梁的减隔震系统应满足如下三个基本功能：1）具备一定的柔度，用来延长结构周期，降低地震力；2）通过阻尼、耗能装置等对地震力进行耗散，并将支承面处的相对变形控制在设计允许的范围内；3）具备一定的刚度和屈服力，在正常使用荷载下结构不发生屈服和有害振动。进行减隔震设计时，应将重点放在提高耗能能力和分散地震力上，不可过分追求加长周期。而且应选用作用机构简单的减隔震装置，并在其力学性能明确的范围内使用。另外，减隔震装置不仅要能减震耗能，还应满足正常运营荷载的承载要求，因此选择减隔震装置时，还应注意以下一些要求：1）在不同水准地震作用下，减隔震支座都应保持良好的竖向荷载支承能力；2）减隔震装置应具有较高的初始水平刚度，使得桥梁在风荷载、制动力等作用下不发生过大的变形和有害的振动；3）当温度、徐变等引起上部结构缓慢的伸缩变形时，减隔震支座产生的抗力应比较低4）减隔震装置应具有较好的自复位能力，使震后桥梁上部结构能够基本恢复到原来位置。

四、结语

随着人类对地震灾害特性和桥梁工程震害特点的深化认识和深入研究，桥梁抗震设计方法经历了从强度、延性设计到基于性能发展的过程，伴随桥梁减隔震技术的发展和应用，将大大提高地震作用下桥梁的安全性，减轻地震损失，并为震区的震后交通生命线畅通和救灾工作的顺利提供有力保障。