浅谈山区公路弯桥、斜桥、坡桥抗震设计

林 云，王清远

(四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065)

1 山区各类桥梁要有较强的抗震概念设计

1.1 刚度和质量平衡

刚度和质量平衡是山区桥梁抗震理念中最重要的一条。在山区公路中建议不采用简支梁，而做连续梁桥，或是采用几跨先简支后连续成刚接，形成几跨连成一联的连续桥。对于连续梁桥，同一联内各桥墩的高度应尽可能相近。对于因相邻桥墩高度不同而导致刚度相差较大的情况，水平地震力在各墩柱之间的分配一般不理想，刚度大的墩将承受较大的水平地震力，影响了结构的整体抗震能力。如果刚度扭转中心和质量中心偏离，上部结构还将伴随产生水平转动，增加了落梁和碰撞等破坏的机率。山区桥梁由于山谷两侧山体坡度较大，墩的高度往往相差悬殊，跨距不均匀，所以很容易造成刚度和质量不平衡的情况。所以设计时优先考虑桥梁的等跨径、等桥宽、等墩高。

在高低起伏的山区地形上采用连续梁形式代替简支结构，并通过护筒使每一联内各墩的有效墩高比较接近。护筒的直径比墩直径大，可满足护筒中的墩身在地震力作用下自由变形。在墩柱高度相差很大的连续梁桥，可设置伸缩缝，每一联在伸缩缝附近设置一墩，两联之间没有传力构件，两联相对独立，从而消除了两联刚度差异对剪力分配的影响。

1.2 结构设计原则及桥的造型

(1)山区桥梁地质条件复杂，在特殊的桥梁设计中更应该注意桥位的选择。应该尽量避免地震危险地段，充分的利用地震有利地段，除了地质条件以外，局部的工程地质、水文条件、地基土质等场地因素对于桥梁的震害也有很大的影响。所以山区桥梁的墩柱所在的地质条件一定要勘测清楚。

(2)避免或减轻在地震作用下因地基变形或地基失效造成的破坏。地震作用会使土的力学性质发生变化，特别是一些土的承载力，很容易使地基失效，使桥梁产生严重的位移和下沉，严重的会导致桥梁的垮塌。最好是避开失效的松软场地，选择坚硬场地。在地基稳定的条件下，还应考虑结构与地基的震动特性，力求避免共振。在软弱的地基上，设计时应采用深基础，并考虑基础的抗震设计。

(3)提高结构和构件的强度和延性，避免脆性破坏。“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点强锚固”在桥梁的设计中也是可以使用的，使结构在地震中的表现不是因为结构失稳或结构支撑不足而破坏。在结构设计时要力图使从地基传入结构的震动能量最小，并使结构具有一定的强度、刚度和延性，以防止不能容忍的破坏。刚度的选择有利于控制桥梁的变形，延性主要提高结构的耗能。但是要注意控制，以防止脆性破坏和非弹性破坏。

(4)加强桥梁结构的整体性。强烈的地震，荷载通过桥梁的各组成部分之间的相互连接来传递，并依靠各个组成部分本身的强度以及他们之间的连接作用来承担。刚度不足和强度不足的部分，以及连接薄弱的部分往往会首先发生破坏，有时还会引起桥梁结构的整体破坏。

(5)山区桥梁的墩往往比较高，在地震作用下，墩顶位移比较大。诸如采用简支梁，在地震中很容易发生落梁破坏，采用连续梁情况会有所改善。如果墩梁固结，多余约束在强震中形成塑性铰，可以大量耗能，对于抗震是非常有益的。斜桥桥墩传递给上部结构的地震力与桥梁的轴线斜交，促使桥梁上部结构平面转动。盖梁的剪力键不足以抵御上部结构转动时，就会发生落梁破坏。而且桥梁的转动会加剧主梁间的碰撞，造成主梁和伸缩缝等构件的破坏。

1.3 各部位的抗震措施选择

1.3.1 桥梁上部结构抗震措施

桥梁震害后果通常表现为上部结构的纵横位移导致相邻梁体互相碰撞，上部结构与桥台的碰撞以及侧倾和落梁。山区桥梁由于地形的限制，在伸缩缝处可能产生相邻梁体的较大的相对位移，而且方向不确定，导致伸缩缝处梁体的碰撞，这对预防落梁、梁体碰撞等震害是很不利的，所以，在两联间设计纵、横向的限位装置十分必要。横桥向的限位措施主要有剪力键和防震锚栓，纵向限位措施包括剪力键、防震锚栓、链索式和拉杆式限位器等。限位装置应允许梁体在小范围内自由移动，该自由移动范围的大小一般以不影响支座的正常变形为宜。为减小碰撞力和碰撞损伤，限位器常在梁间和主梁与剪力键间设置橡胶等缓冲材料。限位器通过剪力键、PC 棒或链索等高强度构件来限制梁体的极限相对位移。在没有以上措施时，可留足墩台盖梁或墩帽的支撑宽度，保证桥跨在纵向位移不超出支座长度，不发生落架的破坏;支座在地震中的抗剪承载力必须满足要求，防止落架破坏。

1.3.2 桥梁下部结构的抗震措施

桥梁下部结构的震害是由于受到较大水平地震力，瞬时反复振动在相对薄弱的截面发生破坏而引起的，它是引起桥梁倒塌的主要原因。其破坏形式，高墩多为弯曲型，表现为混凝土开裂、压溃和主筋弯曲及箍筋松脱等;而粗矮墩由于刚性大，多为折断状态的脆性剪切破坏。提高这类结构的抗震能力不能仅靠提高强度来解决，而应提高其结构的延性，使其承受较大的塑性变形。桥墩尽可能采用钢筋混凝土结构，其延性较好，空心截面的桥墩其延性优于实心截面的桥墩;为提高柱式墩纵横向刚度，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。在设计中，除重视钢筋数量的合理配置外，应避免在墩柱中过早切断主筋。主筋宜对称布置，其间距不大于20 cm，至少每隔一根主筋宜用箍筋或拉筋固定。墩柱的箍筋间距对延性影响很大，间距越小延性越大，它能约束竖向主筋的屈曲，限止混凝土的横向膨胀。

1.3.3 基础抗震措施

地基失效是桥梁基础产生震害的主要原因。震害调查表明，桥梁基础置于基岩或坚硬土层时，震害较轻。因此，要避免在不稳定的地段修建桥梁，而应尽可能将桥梁建造在岩石或均匀稳定的坚硬土层上。当不可避免要在地基土较差的桥位处建桥时，则尽可能采用深基础，并在桩的上部，离地面1～3 m 的范围内加强钢筋布设。在构造上，要加强基础的整体性和刚度，同时采取减轻上部荷载等相应措施。采用灌注桩基础时，其破坏位置一般不是很明确，对于在震后的维修和检测有很大隐患。对于该问题，可以人为设置塑性角，加大地底下的桩柱尺寸，将最容易破坏的截面提高到基础以上。

2 针对山区公路弯、斜、坡桥的抗震思路与措施

2.1 山区弯桥抗震设计

山区公路弯桥在地震中的表现是很值得关注的，弯桥往往是在受力上比一般桥梁更加的复杂，地震荷载输入的情况下，结构的震动力除了各方向的加速度外还有很强的扭转力，所以在弯桥的设计中应特别注意桥墩结构的选型，相关文献推荐使用单圆形墩柱。单圆形墩柱在各个方向的惯性矩和截面性质都是一样的，对于不确定方向荷载的抵抗力有很好的效果。在抵抗扭矩时，单圆形柱墩比双柱墩更具优势。

2.2 山区斜桥抗震设计

山区公路斜桥除了上述山区桥梁应该注意的事项以外，更加要注意上部墩柱顶部的预留宽度和该处上部结构的连接作用。在地震的作用下，斜桥桥墩传递给上部结构的地震力与桥梁的轴线斜交，促使桥梁上部结构平面转动。盖梁的剪力键不足以抵御上部结构转动时，就会发生落梁破坏。而且桥梁的转动会加剧主梁间的碰撞，造成主梁和伸缩缝等构件的破坏。所以上部结构的连接作用要加强，并且支座比一般桥梁要宽。

2.3 山区坡桥抗震设计

山区公路坡桥的纵向各墩高度很容易相差很大，其在桥墩刚度的分配上就相差很大。要求采用一定的措施来调整刚度和质量的分配，可以参考本文中前面所说的做法。另外，坡桥要限制其坡度值。坡桥结构的坡度过大，桥梁纵向的低墩位将承受更大的冲击，在墩位较低侧应加强连接和加强柱墩的抗弯能力。坡桥在坡向会有一定的滑动倾向，所选用的支座尺寸一定要保证在地震的纵向作用和自重滑动倾向作用下的安全问题。

［1］宋晓东，李建中.山区桥梁的抗震概念设计［J］.地震工程与工程振动，2004(1)

［2］Priestley M J N，Seible F，Calvi GM.Seismic design and retrofit of bridge［M］.New York:Wiley Sons Inc，1996

［3］范立础，王志强.桥梁减隔震设计［M］.北京:人民交通出版社，2001

［4］范立础.桥梁抗震［M］.上海:同济大学出版社，1997