浅谈公路桥梁抗震设计

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摘 要：我国是地震多发的国家之一，为保证公路桥梁设施的完好，发挥其在抗震救灾中的作用，需对公路桥梁抗震设计进行深入的研究。本文通过分析公路桥梁震害的破坏形式，分别阐述了公路桥梁抗震设计的基本原则和设计要点。

关键词：桥梁震害；抗震设计；延性构件；抗震措施；能力保护

中图分类号： TU973+.31 文献标识码： A 文章编号：

一、桥梁的主要震害形式

桥梁的震害有多种形式，根据破坏的部位不同，主要可分为上部结构震害、附属工程震害、墩柱震害、基础震害四种。

1.上部结构震害

桥梁上部结构震害按照产生的原因不同，可以分为结构震害和位移震害。其中较常见的是位移震害。

桥梁位移震害主要表现为上部结构的纵向位移、横向位移以及扭转。一般来说，设置伸缩缝的地方比较容易发生位移震害。如果上部结构的位移超过了墩、台等的支撑面，则会发生更为严重的落梁震害。落梁的原因一般是因为限位构造失效、墩台支承宽度不足造成，在地震力作用下，梁、墩台间出现较大相对位移，导致落梁现象的发生。

2. 附属工程震害

在地震力的作用下，主梁与下部墩柱、桥台连接部较为薄弱，若附属工程没有足够的限位能力将出现震害。主要表现为支座脱离主梁、挡块碰撞破坏、伸缩缝拉断、台胸墙剪断等震害。

3.墩柱震害

墩柱的震害主要表现出两种特征：塑性铰破坏和剪切破坏。柔桥墩柱在地震力作用下，墩柱底部、顶部和墩柱与系梁连接处容易出现塑性铰，塑性铰混凝土在反复地震作用下剥落、破碎，失去承载能力。刚性墩在地震作用下，变形能力小，主要以强度抵抗地震力，当地震力超越其承载强度时，出现剪切破坏。

4.基础震害

基础的破坏与地基的破坏紧密相关，地基破坏一般都会导致基础的破坏。地基破坏主要是指地震作用下因砂土液化、不均匀沉降及稳定性不够等因素导致的地层水平滑移、下沉、断裂。基础的震害主要表现为移位、倾斜、下沉、折断和塑性铰破坏。

二、桥梁抗震设计原则

桥梁抗震设计的主要指标有3个：桥梁结构的强度、刚度和延性。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。总结抗震设计中应尽可能遵循的一些基本原则有以下几点。

1. 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。

2. 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。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的构件周期反复变形，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。

3. 能力设计原则

采用能力设计原则，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，不发生脆性破坏模式。对拟定的桥梁方案，经过初步地震作用计算，分析结构的薄弱部位，选择结构塑性变形机制，确定塑性铰位置，使预期的塑性铰出现在易于发现和易于修复的结构部位。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。

4. 多道抗震设计

所谓多道抗震设防，是指在一个抗震结构体系中，一部分延性好的构件在地震作用下，首先达到屈服，充分发挥其吸收和耗散地震能量的作用，即负担起第一道抗震防线的作用，其他构件则在第一道抗震设防屈服后才依次屈服，从而形成第二道、第三道或更多道抗震防线，这样的结构体系对保证结构的抗震安全性是非常有效的。

三、桥梁抗震设计要点

采用合理的抗震结构体系的同时，必须重视抗震构造措施，保证桥梁结构在地震时按设计发挥抗震能力。在桥位选择、桥孔布设、桥梁结构体系的选择、桥型布置以及桥梁结构细部设计中可以采取以下措施以达到抗震减灾的目的。

1. 选择合适的桥位、桥型和孔径

选择桥位时应尽量避开地震危险地段，充分利用地震有利地段。应尽量采用桥梁中线与河流正交，这样即使地震产生河岸滑移，影响也较小；若采用斜交，地震时极易产生河岸向河心滑移，会使桥梁随之发生错动或扭转破坏。从几何线形上，尽量使桥梁位于直线上，弯桥或斜桥会使地震反应复杂化。

在高烈度地震区应尽可能采用规则性好的桥梁结构，结构的布置要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规则，避免引起突然的变化。地震区桥跨不宜太长，大跨度意味着墩柱承受的轴向力过大，从而降低墩柱的延性能力。在保证工程经济的同时，选择小跨径方案，使桥墩承受的轴压水平较低，从而获得更佳的延性。

桥孔宜选用有利于抗震的等跨布置，并尽量避免高墩与大跨的组合。宜形体简单、自重轻、刚度和质量分布均匀、重心低、便于施工。

2.桥梁上部结构的抗震措施

尽量保证结构体系的整体性和规则性。上部结构尽可能采用连续结构代替简支结构，进而减少伸缩缝的数量，降低落梁的可能性，同时也提高了桥上行车的舒适性。上部结构抗震的预防措施通常有：

在梁底部加焊钢板，或采用纵、横向约束装置限制梁的位移，梁与墩帽用锚栓连接，T梁在端横隔板之间螺栓连接，曲梁桥，应采用上、下部之间用锚栓连接的方式。桥梁的支座锚栓、销钉、剪力键等应有足够的强度。梁端至墩台帽或盖梁边缘的距离，以及挂梁与悬臂的搭接长度必须满足地震时位移的要求。当采用多跨简支梁时，应加强梁之间的纵、横向联系，将桥面做成连续，或采用先简支后结构连续的构造措施。

3. 桥梁下部结构的抗震措施

桥台高度宜控制在8m以内，桥台宜选择在地形平坦、横坡较缓、离主沟槽较远且地质条件相对较好的地段，并尽量降低高度，将台身埋置在路堤填方内，台周路堤边坡脚设置浆砌片石或混凝土挡墙进行防护，桥台基础酌留富余量。如果地基条件允许，应尽量采用整体性强的T形、U形或箱形桥台，对于桩柱式桥台，宜采用埋置式。

利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法。桥墩应避免承受斜向土压力。高墩宜采用钢筋混凝土结构，宜采用空心截面。可适当加大桩、柱直径或采用双排的柱式墩和排架桩墩，桩柱间设置横系梁等，提高其抗弯延性和抗剪强度。

4. 桥梁基础的抗震措施

桥梁的基础应尽可能的建在可靠的地基上，应加强基础的整体性和刚度，同时采取减轻上部荷载等措施，以防止地震引起动态和永久的不均匀变形。在可能发生地震液化的地基上建桥时，应采用深基础，使桩或沉井穿过可能液化的土层埋入较稳定密实的土层内一定深度，并在桩的上部，离地面1~3m的范围内加强钢筋布设。

四、结束语

我国是世界地震多发国家之一，具有频度高、强度大、分布广的特点。公路桥梁这种典型的线状工程地震易损性较高。目前地震还不可有效的预测，只能通过研究地震对结构的破坏规律，以此来指导设计。在设计具体桥梁时，应根据具体的地质环境条件，并结合桥梁的结构特点选择恰当的抗震设计手段和构造措施，以期实现抗震减灾的目的。

参考文献：

⑴公路桥梁抗震设计细则〔M〕.JTG/T B02-01-2008.北京：人民交通出版社，2008

⑵李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社，1992

⑶李克钏.基础工程〔M〕.北京：中国铁道出版社，1995

⑷同济大学土木工程防灾国家重点实验室.汶川地震震害〔M〕.上海：同济大学出版社，2008