桥梁抗震设计与抗震加固措施研究

卢振宏

（广深珠高速公路有限公司，广东东莞523925）

0 引言

公路、桥梁等交通设施的建设与经济发展水平相关，同时，也在一定程度上影响人们的生活、居住范围。随着基础设施建设的进一步推进，公路建造里程数逐渐增加，公路桥梁的建设数量也逐渐上升。对于山地、近海等复杂环境的公路建设，桥梁起到关键的枢纽作用。桥梁的抗震设计的合理性、抗震设计原理的先进性，以及抗震加固措施的合理应用等，是公路桥梁设计与建造过程中的重要内容。公路桥梁的抗震设计需要达到有关的抗震设计规范，抗震加固措施的选择和施工也需要符合工程建设实际条件，只有达到工程的设计标准和建造规范要求，才能在一定程度上避免在灾害发生时造成的经济损失和人员伤亡[1]。我国公路桥梁的抗震设计方法在近年来得到了一定的发展，抗震设计规范的详细程度也进一步提高，本文将从公路桥梁的抗震设计出发，结合近年来公路桥梁抗震的主要措施、方法，对公路桥梁抗震措施的适用性进行探讨。

1 公路桥梁震害概述

在地震发生的过程中，地震波作用于桥梁结构，会对桥梁结构造成不同程度的损伤。根据桥梁损害发生的结构不同，可以分为桥梁上部结构、桥墩、桥柱和基础震害。

在地震作用的影响下，桥梁地基中的砂土出现液化现象的可能性较大，一旦出现砂土液化现象，桥梁地基的承载力丧失，会造成整体桥梁结构的下沉、多向位移、上部结构断裂等问题。由于地基基础的破坏造成的桥梁结构震害，通常情况下是难以修复的、永久的。

桥墩和桥台在桥梁整体结构中起到承上启下的作用，将上部结构承受的荷载传递给基础和地基。在特殊地形条件下，特别是在山区中，桥墩和桥台的标高通常较高。在地震发生的时，地震波对于桥墩和桥台的影响较为明显，构件容易在剪力作用下发生破坏，塑性铰也容易被破坏[2]。在地震力的反复作用下，桥墩和桥台的破坏进一步加深、扩大，最终将造成整体桥梁结构的坍塌。

桥梁和支座在地震力的作用下，发生的震害是比较严重的。桥梁板在地震作用下发生剪切破坏、相对位移等，会造成整体桥梁板结构构件的崩坏，对下部结构造成连带破坏作用。梁板构件的自身破坏和支座破坏后的位移破坏，是较为常见的两种震害。在反复震力的作用下，位移会进一步增加，梁板脱落后造成整体桥梁的整体倒塌。

2 桥梁结构抗震设计的主要内容

提高桥梁抵抗地震作用的能力，主要可以通过两个方面实现。首先，通过桥梁的结构设计、柔性材料等的使用，提高桥梁自身抵抗地震作用的能力；其次，可以通过结构设计和使用抗震、隔震措施，尽量降低地震作用对桥梁结构的影响。桥梁的抗震设计是实现桥梁抗震性、提高桥梁抗震能力的重要途径和主要工具，通过桥梁结构的抗震设计，可以有效提高桥梁的抗震效果，达到抗震减灾的目的。桥梁抗震设计工作内容主要包括桥梁定位和桥梁抗震结构。

2.1 定位选择

公路桥梁的设计要根据具体的工程环境、地形、地貌等条件进行，桥梁的线位选择需要根据建设后投运的具体需求以及地基条件综合考虑。首先，尽量选土质良好的地段，地基承载力是决定桥梁承载力的关键。其次，应尽量避免选择坡度较大的地区，土体的侧压力较大，在建造使用的过程中会对桥梁产生较大的影响。

2.2 结构设计

除了桥梁的线位，如何选择桥型对于结构的抗震性来说也很重要。确定定位后，根据桥梁的建造条件，尽可能选择抗震性能较好的桥梁形式。对于跨度比较大的桥梁来说，尽量减少伸缩缝的数量也能够增加桥梁结构整体的抗震性。除此之外，在桥梁结构中使用隔震措施，在桥梁建造材料的选择上可以结合工程建设项目的经济条件，尽量选择高强、高性能的材料。与刚度大的材料相比，柔性材料在抗震性方面的表现更加理想。延展性高的材料能够有效抵抗地震作用对桥梁结构带来的脆性破坏，降低桥梁的剪力破坏和变形程度[3]。

对于桥梁的整体设计结构来说，结构整体的对称性和规则度越高，则抗震性能越好。整体桥梁结构的自重中心和力学的刚度中心比较理想的状态是同在一条中心线上，此时，在地震发生的过程中，地震力对于整体桥梁结构的作用水平是最小的。

3 桥梁结构抗震设计方法

桥梁结构在建设和使用的过程中，会受到多重外力的作用。特别是在复杂工程环境中，还会受到深水以及土体的作用，在使用过程中也会受到动、静荷载的作用。在多物理场的作用下，桥梁的结构会受到影响。在受到外力作用的情况下，桥梁的各部分结构的受力特征决定了桥梁整体结构的稳定程度，高强度和高性能材料在桥梁工程中的大量应用，提高了桥梁的抗震等能力。除了在桥梁建造过程中使用高强度、高性能材料以外，桥梁的减震、隔震和加固等技术的应用，为桥梁的抗震性能提高增加了可能。

3.1 统一标准

桥梁抗震设计过程需要大量的前期准备和实验，设计的合理性和桥梁的适用性、抗震性等很大程度上取决于前期工作的质量。实验模型的局限性是必然的，尽可能综合多项指标数据，以确保桥梁设计过程的顺利进行。合理的桥梁设计方案要根据桥梁的线位以及周边地质选择，桥梁结构的组成构件具体的结构形式也要根据实际情况做出必要的调整[4]。桥梁抗震设计方案要有具体的标准，抗震设计方案的评价也是依托标准进行的。所以，桥梁抗震设计方案的设计标准的制定是重要的，统一桥梁抗震设计方案的设计标准对于桥梁抗震设计的优化有重要作用。

3.2 因地制宜性

工程建设的因地制宜性是必须考虑的原则和要素，在具体的设计工作中，特别是对于公路桥梁的设计，因地制宜也至关重要。根据桥梁的线位因素以及桥梁的运营要求、建设要求等，选择合理的桥梁形式和结构。桥梁形式的选择在很大程度上决定着桥梁在后期使用过程中的效果。当地的地震、地质、天气水文等信息的全面把握，可以有效提高桥梁的抗震设计水平。根据初步的设计方案，进一步优化桥梁的抗震设计，也可以进一步进行减震措施的设计。

3.3 安全性

桥梁的抗震设计的最终目标就是要提高在地震灾害发生时桥梁的安全性，所以在桥梁的抗震设计过程中，安全性的考虑是贯穿始终的，具有指导意义。桥梁整体结构的稳定性，以及构件连接的合理性和稳固性要符合设计标准和规范。对于结构薄弱环节的设计要以增强其整体性和稳定性为主。

4 桥梁结构抗震加固措施

4.1 桥梁结构加固措施

桥梁结构的加固可以根据不同的加固对象进行分类，对于桥梁板的加固方式主要有优化截面和提高含钢量两种。优化桥梁板的截面形状或者截面面积可以提高桥梁的抗震性，对桥梁板增加钢筋或者直接增加钢板等方法，可以提高桥梁板的含钢量，但是，此种方法容易使桥梁板出现超筋现象。超筋现象可以通过调整截面面积的方法避免，所以，在大多数情况下这两种方法可以同时使用[5]。桥梁支座的形式和稳定性对于抗震性也是非常重要的，所以在桥梁的抗震设计过程中，可以选择具有减震、隔震作用的支座。

根据上文可知，墩台结构在地震中极易受到影响，且也是受到影响最大的构建。所以，提高墩台结构的抗震性或者降低地震作用对于桥梁的抗震设计来说十分重要。提高墩台的延性、使用空心截面等方法，是目前桥梁抗震设计中较为常用的。另外，也可以根据构件不同的受力特点，选择不同墩柱结构。

4.2 减隔震措施

减隔震措施是通过减隔震系统实现的，减隔震系统通常作用在桥梁的下部结构和基础之间。减隔震系统的使用在世界范围内较少，但是在已经使用了减隔震系统的建筑中，减隔震系统对地震的缓冲作用是比较明显的。减隔震系统在使用的过程中，设计的合理性和减隔震装置的科学选择是十分重要的。首先，要符合因地制宜的原则；其次，对于隔震设备的位移量、恢复能力等也要充分考虑。在公路桥梁中使用的减隔震装置主要是橡胶支座和摩擦支座两种，减隔震装置是直接保留在自然条件下的，其构成材质对于温度和空气等的变化较为敏感，容易出现老化、变形等问题。减隔震装置的恢复力以及其他突出特性，对于支座的减隔震效果有比较明显的影响，所以减隔震装置需要进行必要的维护和日常监测。随着我国基础建设的不断推进，西部地区的基础设施建设逐渐增加，西部地区属于强震区，因此减隔震技术的使用及效果需要得到进一步的研究。

5 结语

综上所述，桥梁的抗震设计和减隔震措施都要遵循因地制宜的原则，桥梁设计的合理性和桥梁形式选择的科学性、综合性越强，越有利于提高桥梁的抗震性。桥梁加固措施和减隔震系统的使用需要综合考虑诸多因素，在不断的推广和实践中，桥梁的抗震减灾水平会得到很大的发展。桥梁在地震作用下受到的损伤越有限，越有利于减少生命财产损失和灾害救援。所以，提高桥梁结构的抗震性具有重要意义。