浅谈桥梁抗震设计的问题及其对策研究

杨 菲

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

浅谈桥梁抗震设计的问题及其对策研究

杨 菲

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

中国是一个地震多发的国家，历史上唐山大地震、汶川大地震等强烈的地震灾害给中国人民造成了无可估量的损失。为了对抗自然灾害，尽可能地避免地震灾害造成的问题，文章针对桥梁抗震设计中的问题与对策进行了总结，旨在为桥梁抗震设计工作贡献一份力量。

桥梁抗震设计；震害；减震设计；设计方法优化

中国是一个地震灾害发生频率较高的国家，2010年5月的汶川地震给国家与人民带来了触目惊心的巨大损失。为了应对频发的地震灾害，桥梁抗震设计工作格外重要，相关工作者应当充分认识到其职责所在，合理应用专业知识来尽可能地提高结构物的抗震能力，最大限度地减少地震灾害造成的不利影响。

1 常见的桥梁震害概述

桥梁震害是地震灾害中最为常见的一种桥梁震害，具体情况是桥台和路基同时向河心移动，桩柱式桥台的桩柱随之开裂、倾斜、折断；重力式桥台的胸墙开裂，桥台台体下沉、移动、转动；桥头的引道沉降，翼墙开裂、损坏，施工缝开裂，桥台撞击主梁导致结构破坏[1]。桥台的移动、倾斜可能导致主梁受压损坏，甚至有可能使主梁坍毁。

同样高发的桥梁震害还有桥墩震害以及支座震害。桥墩的震害主要有桥墩倾斜、沉降、移位、墩身剪断、开裂，受压缘的混凝土崩坏，钢筋屈曲、裸露，桥墩与基础连接处折断、开裂等等。在震力作用下，部分支座在最初设计时并未充分考虑到抗震要求，缺乏连接、支挡等结构的必要构造措施，有些情况下，支座材料与形式上的缺陷直接造成支座产生过大的移位或者形变，进而导致了支座锚固螺栓剪断、活动、拔出，支座脱落，支座主体结构破坏等。这样的情况会导致结构力的传递形式发生变化，对整体结构中的其他部件产生非常不利的影响。

最为严重的桥梁震害现象则是主梁坠落。主梁坠落又称落梁，主要成因是桥台、桥墩的倾斜或者倒塌，梁体碰撞、支座破坏、相邻桥墩间相对位移过大等情况[2]。除此之外，地基与基础震害也是导致桥梁倒塌的严重桥梁震害。地基震害导致的桥梁破坏属于灾后难以修复的桥梁震害，主要成因包括不均匀沉降、砂土液化、稳定性低等因素造成的地层水平移动、地层下沉、地层断裂。地基破坏与基础破坏具有紧密的相关性，地基破坏通常直接导致基础破坏。

桥梁震害的成因具有很强的多样性。地震发生时，地层的移动会导致梁式桥梁上部的活动节点因为盖梁宽度不足而发生落梁或者梁体碰撞,而拱式结构的桥梁则会出现拱上建筑以及腹拱受损，拱圈在拱顶、拱脚处产生裂缝，整个拱圈隆起变形。

地基土的液化影响,也加大了地层移动的影响，放大了桥梁结构的振动反应，大大增加了发生落梁的可能性。采用排架桩的桥梁，会出现桩基承载力降低的情况，这样的情况会导致与地震无关的大幅度纵移、横移，这种现象在简支梁桥上格外突出。除此之外，地基强度低会导致部分地基土液化失效之后出现桥梁结构物整体倾斜、下沉、严重变形等情况，最终导致结构物破坏，震害加剧。

低强度的下部结构破坏指的是桥梁下部结构强度不足，难以抵抗自身的惯性以及支座传递下来的主梁地震力，在地震灾情发生是结构下部变形、开裂、失效，最终可能倾覆，引起整个桥梁的严重破坏。

2 设计问题的分析与解决

2.1 总体设计中问题的解决策略

总体设计是桥梁抗震设计的基础，而桥位的选择则是桥梁抗震总体设计过程的核心。在选择桥址时，需避开地震时地基可能失效的松软土地，选择相对坚硬场地。坚实碎石地基、基岩、硬黏土地基可以说是比较理想的桥址地；人工填土、饱和松散粉细砂、极软的黏土地基和不稳定坡地则都属于危险地区。拱桥在设计中需要避免跨越地质断层，在特殊困难的情况下则必须进行安全性评价。

选址之外，总体抗震设计中的桥梁选型也是一个重要步骤。桥梁选型应结合地质条件、地形条件、震害经验、工程规模等因素，综合考虑后选择合理的桥型以及墩台、基础型式。在选型过程中要采用经济合理、技术先进、便于修复加固的桥梁结构体系。同时还要考虑采用型钢混凝土结构等减震结构。

桥孔应该尽量选择有利抗震的等跨布置，同时尽可能避免高墩、大跨的结合。需要做到自重轻、体形简单、刚度与质量均匀分布、便于施工、重心低。位于震后可能形成泥石流的沟谷上方的桥梁，孔跨与桥下净高应根据地质、地形的情况酌情增大。

2.2 减震设计中应当注意的要点

结构刚度对称格外有利于抗震,而不等跨桥梁则更容易发生震害。尤其是桥梁墩身高度差距过大时,较矮的桥墩上将产生极大的水平地震力，大跨径桥孔的桥墩上也会产生很大的地震力。设计上需要尽可能避免在高烈度区选用这种桥型，若无法避免这种情况，则应当在不利墩上采取抗震支座等消能措施以降低桥墩墩顶集成刚度[3]。

斜桥的抗震性能是比较低的。由于其抗推刚度很大，在高烈度区，桥墩的基本周期动力放大系数也很大，这种情况会直接导致震灾加剧。此外，地震时桥台处河岸不稳，容易向河心移动，缩短桥长，使得桥孔发生扭转或错动，进而导致墩台的台身折断或开裂。在地基条件允许的情况下，台身可以做成U型或者T型等整体性较强、抗推刚度高的形状，也可以采取埋置式。松软的地基上建造的桥梁应该当正交，同时适当加大桥长，尽可能将桥台置于稳定的河岸上。

在可能出现地震液化现象的地基上建造桥梁时，需采用深基础，让桩与沉井穿透可能液化土层，埋入较稳定密实的深层土质。加强桥体下部的支撑梁板或者采用满河床铺砌，尽可能保持四铰框架结构，严防墩台在震灾发生时移动。

高烈度地区大跨径桥梁抗震设计过程中，纵向梁间要设置消能设施，所设计的设施要有足够的强度，同时还需要满足梁端位移的要求。除此之外，为了防止落梁，需注意加强上、下部结构间的联系。桥梁的支座采用的销钉、锚栓、剪力键等部件都要有足够的强度。

2.3 地震影响的分析与设计方法的优化

随着人们对结构动力特性的理解逐渐加深，已经建立了多种抗震设计相关理论与地震响应分析设计方法。从地震波的频谱、振幅、持续时间这3个要素来看，抗震设计静力理论主要研究了高频振动的振幅最大值；反应谱的理论虽然考虑了振幅与频谱两个要素，但是持续时间则始终不能得到明确的表达；动力理论是相对完善的理论，在考虑地震持续时间的同时还考虑到诸多地动反应谱中不能完全概括的特性。

从结构和构件的动力模型、输入地震动、实用的地震反应分析方法、抗震结构设计原则这4个结构抗震设计理论的基本内容来看，静力理论对上述4方面因素作出了很大程度上的简化，而反应谱的理论也作出了相对较大的简化，最为全面的动力理论则考虑的相对完善、复杂，动力理论的输入地震动需要给出具有概率含义、符合场地情况的加速度的时间函数，更复杂结构则需给出3个分量以及空间相关性[4]。结构与构件的动力模型更加接近实际情况，动力模型中包含了非线性特性。地震反应分析法综合考虑了出现震灾时抗震结构的反应过程，包括能量损耗积累与变形，而设计原则考虑到了多种使用状态下的安全概率保证。

3 结束语

文章首先简述了常见的震害，分析了震害产生的原因，进而从总体设计、减震设计、影响的分析与设计方法的优化这3个角度剖析了桥梁抗震设计中的现存问题及解决方法。文章具有严整的逻辑结构、充实的内容。

[1] 徐日雄，浅谈桥梁抗震设计[J]，科技情报开发与经济，2010.1.

[2] 刘青兰，基于性能桥梁抗震设计研究[J]，内蒙古公路与运输，2010.1.

[3] 孙文，试论桥梁抗震设计方法[J]，安徽建筑，2009.1.

[4] 梁岩，桥梁抗震设计措施的改进[J]，北方交通，2009.4.

Discussion on the Problem s and Strategies Study of Bridge Seism ic Design

Yang Fei

China is an earthquake prone country.In the history,the strong earthquake disaster including Tangshan great earthquake and Wenchuan great earthquake,etc.caused immeasurable loss to Chinese people.In order to combat natural disasters and avoid the problems caused by the earthquake disaster as much as possible,the paper summarizes on the problems and countermeasures in bridge seismic design,so as to contribute a force tobridge seismic design.

bridge seismic design;earthquake damage;damping design;design method optimization

U442.55

A

1000-8136(2011)08-0076-02

杨菲，男，1980年出生，陕西西安人，2002年毕业于长安大学桥梁工程专业，工程师。