桥梁抗震设计与加固

张一王敏　张民

【摘 要】选择合理恰当的桥梁抗震设计方法是保证公路桥梁安全运营的基本前提。首先介绍了我国的桥梁抗震设防标准，然后分析了几种常用抗震设计方法的优缺点，最后简述了在抗震设计中应注意的几个问题和抗震加固措施，以期对实际桥梁工程提供借鉴。

【關键词】桥梁抗震；设计方法；抗震加固

【Abstract】Reasonable and proper seismic design method of bridge is the basic premise to guarantee the safe operation of highway bridge. Firstly， the bridge seismic fortification standards in our country is introduced， then analyzing the advantages and disadvantages of several common seismic design method， finally describing the several problems preserved to be paid attention to in the seismic design and aseismic reinforcement measures， in order to provide reference to the practical bridge project.

【Key words】Bridge seismic resistance；Design method；Seismic retrofit

0 引言

在如今世界各地联系日益密切的时代，公路交通运输发挥着越来越重要的作用。在整个公路网系统中，桥梁往往是其中的关键节点，一旦受到破坏，将会造成无法估量的生命财产损失。近十几年来，我国地震发生频频，2008年汶川地震，2010年青海玉树地震，2013年雅安地震。其中汶川地震是我国近几年来发生的造成后果最严重的地震，其震级之高、波及范围之广、受灾人数之多都是世所罕见的。地震发生之后，震区中大多数桥梁被破坏，公路交通中断，救灾人员和物资无法及时运至灾区，导致地震发生之后的次生灾害影响严重，给抗震设防留下了极其惨痛的教训。鉴于地震给予我国带来的巨大损失和灾难，我国桥梁抗震研究专家经过不懈努力，已经将我国的抗震设计方法逐步从单水准单阶段设计发展为双水准两阶段设计，抗震设计规范也实现了从单一、简略到系统、详细的跨越。

1 桥梁抗震设计方法

桥梁抗震设计主要包括抗震设防水准的确定、抗震计算分析、抗震构造设计等几个方面.这里首先简要介绍我国抗震设防标准，然后分析了几种常用抗震设计方法的优缺点，为实际工程中桥梁抗震设计方法的选择提供参考。

1.1 抗震设防标准

我国的桥梁抗震设防设计核心思想为“小震不坏、中震可修、大震不倒”，即桥梁在较小地震下不发生损坏或轻微损坏；在较大地震作用下发生损坏但经过修复之后仍能正常使用；在强烈地震作用下发生结构破坏但桥梁支撑构件未发生倒塌。最新桥梁抗震设计规范《公路桥梁抗震设计细则》规定我国公路桥梁抗震设计为双水准两阶段设计。双水准设计是指在E1 地震作用和E2 地震作用下设计。E1地震作用一般是指重现期为475年以下的地震，E2地震作用是指重现期约为2000年的地震；两阶段设计是指“弹性设计阶段”和“延性设计阶段”。

1.2 抗震设计方法

自上世纪以来，世界各国桥梁专家在抗震设防领域的研究就一直没有停息，桥梁抗震设计方法也在不断地改进与发展，由最初的强度控制设计到如今的位移、延性控制乃至基于性能和能量的设计方法。然而，基于性能和能量的设计方法目前还处于研究阶段，在工程应用中还不广泛。目前世界各国普遍采用的抗震分析方法还是基于强度的设计方法，主要包括静力法、反应谱法、时程分析法、Push-over分析法等。静力法是假定桥梁结构在地震作用下具有和地震动一样的加速度，将此加速度产生的惯性力作用在桥梁上，由此得到桥梁的内力图，从而进行抗震设计。静力法概念清晰、容易理解、计算简便却没有考虑桥梁自身的变形和动力特性，只适用于桥台和挡土墙等质量较大的刚性结构。反应谱法是将结构所在场地给出的设计反应谱作为地震动输入得到结构响应的方法。作为目前应用最广泛的抗震设计方法，它没有考虑地震作用的随机性，本质上仍是线弹性分析，不能得到结构进入塑形状态或构件开裂后的内力、变形、周期等特征。时称分析法主要适用于大跨度或结构复杂的桥梁，与以上两种抗震分析方法相比，它可以得到地震作用每一时刻的结构内力、变形和加速度等动力特征，还可以模拟复杂的桩—土作用。然而，时称分析法所依据的加速度记录只代表以前的地震作用大小，并不能说明未来此地的地震大小如何。Push-over分析法又称弹塑性静力分析或倒塌分析，它是在结构模型上施加按某种规则分布的水平侧向力来代替地震作用，单调加载并逐渐增大，一旦有构件开裂或屈服自动修改结构刚度矩阵以进行下一步计算，一直循环到结构达到预定状态，从而判断是否满足抗震能力要求。因其计算时间短、输入数据简单，所以在今后抗震设计方法的发展中有着很大的发展空间。除此之外，大连理工大学林家浩教授提出的虚拟激励法作为一种新的分析结构随机震动的方法在工程抗震领域得到了广泛关注。这种方法可以将地震的随机作用转化为确定性的时程分析，从而可以用常用的动力分析方法实现随机作用的求解，而且其计算效率之高远远超过其他抗震设计方法。

以上抗震分析方法都有各自的特点，在实际桥梁抗震分析中，应根据工程本身的结构和所要得到的结果需求来选取合适的抗震设计方法。由于地震的复杂性和不确定性，而且进行结构计算时所作的假定不一定与实际情况相符，所以不管所用的抗震设计方法多么先进，得到的计算结果总是一种比较粗略的估计，过分地追求数值上的精确是不必要的。在桥梁抗震设计中，工程师们应日益重视“概念设计”与“能力设计”思想，把基于强度的设计方法逐步转变到基于位移和延性的设计方法，将减隔震设计和构造设计纳为抗震设计的重要组成部分。endprint

2 桥梁抗震设计中应注意的问题

在桥梁进行抗震设计之前，都应搜集该地区发生过的地震记录，地质构造特征、水文地质情况，然后确定抗震设防等级。根据设计要求，选择桥梁的线形和结构形式，确定设计理想塑性铰的位置，然后进行结构内力变形计算分析，确认可行后还要进行减隔震设计，最后制定桥梁在地震中的应急预案措施。在整个设计过程中，应注意以下问题：

（1）在没有特殊要求下，桥轴线最好设计成直线，曲线桥梁在地震中的响应相对复杂；桥轴线尽可能与河道垂直，这样桥梁受力简单明确。

（2）对于跨越断层等不良地质的多跨桥梁，尽量选用简支体系，这样不会出现一跨倒塌引起的多跨倒塌。

（3）如果河流两岸基础条件良好，并且两侧边坡存在潜在地质灾害，建议采用拱桥结构。

（4）山区桥梁应尽量避开泥石流等地质灾害多发区，加强桥梁附近山体边坡防护。

（5）相比于墩柱，塑性铰应设置在梁体上；如必须在墩柱上设置塑性铰，尽量设置在墩顶。

（6）桥梁的基础避免设置在地震中易发生液化的地基上，防止基础破坏引起的全桥垮塌。

（7）墩柱配筋设计中可适当减小螺旋箍筋间距，以增大柱的抗弯性能和延性。

（8）适当增大盖梁和桥台断面使梁端有足够的支撑面，避免发生落梁。

3 桥梁抗震加固及构造措施

桥梁抗震加固的首要目的是防止桥梁垮塌，因为桥梁一旦垮塌，将会造成严重的生命财产损失，交通中断维修救援物资无法及时到达，所以桥梁的抗震加固主要是墩柱的加固，这也契合了“强柱弱梁”的设计思想。其次还包括上部结构加固、支座加固和基础加固等。现今，针对桥梁各个部位的抗震加固主要有以下具体措施：

（1）桥墩加固。主要有钢套筒包裹加固、纤维复合材料加固和增大截面加固等措施。钢套筒加固和纤维复合材料加固都是将桥墩包裹起来，增大桥墩的横向约束，减小桥墩的横向变形，使塑性铰的位置不会出现在柱身而是出现在柱端，从而防止了墩柱的倒塌。纤维复合材料相比钢套筒有更高的强度和耐久性，并且简捷易行，同时适用于圆柱墩和矩形墩，而钢套筒加固一般适用于圆形墩。但是纤维复合材料价格昂贵，应用范围还不广泛，随着其工艺的纯熟和加工成本的降低，纤维复合材料加固有着更广阔的应用前景。增大截面加固即扩大墩柱截面，提高其抗弯和抗剪承载力，减小墩柱的横向变形，达到防止桥墩垮塌的目的。

（2）上部结构加固。主要为防止落梁，一般会在梁的侧面、端面或伸缩缝的位置设置挡块，挡块与梁体之间、梁端与桥台之间填充柔性材料，在地震可起到耗能的作用；或将梁体通过连杆与盖梁锚固在一起，增加梁端支撑面宽度等。

（3）支座加固。采用减震、隔震的原理，将刚性支座换为具有耗能能力的支座，减小从地面传递到上部结构的地震能，起到保护梁体的作用。常用的减隔震支座有铅芯橡胶耗能支座、板式橡胶支座等。

（4）基础加固。增大基础底面面积，减小基低应力；可以通过锚固措施将基础与岩体锚固在一起，增强抗震稳定性；增大基础埋置深度，基础上部土层越厚，其抗剪承载力和稳定性越高。

【参考文献】

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[3]王利辉，杜修力，韩强，刘柯.桥梁抗震加固方法评述[J].工程抗震与加固改造，2009，31（6）：79-82.endprint