基于公路桥梁结构抗震设计要点分析

谢成阳，尹 锐

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司成都分公司，四川成都 610037）

0 引言

改革开放几十年以来，我国社会经济取得快速发展，交通设施作为重要的基础设施是我国建设的重点内容之一[1]。随着经济增长速度的不断加快，我国每年都需要建设大量的公路桥梁，以方便人们的出行。但与此同时，近年来我国很多地方都发生了不同等级的地震，对公路桥梁基础设施造成不同程度的破坏，影响着公路桥梁的安全稳定运行，对其构成一定威胁[2]。随着人们生活质量的不断提升，对交通设施质量的要求越来越高，为了顺应人们的安全出行要求，现在都要求对公路桥梁进行抗震设计[3]。设计时需要充分结合实际情况，利用科学的方法进行抗震设计计算，才能最大限度提升公路桥梁结构的抗震效果，为交通设施的可靠运行奠定坚实的基础。本文主要以某工程桥梁结构抗震设计过程为案例，结合笔者实践经验阐述抗震设计中需要重点关注的事项和问题。

1 工程基本情况概述

1.1 工程概况

某公路桥梁工程项目处在地震带中，有发生地震灾害的概率。该公路属于城市快速路，需要根据一级公路标准进行设计，使用年限为100年。拟采用钢筋混凝土结构进行施工。基于前期勘查结果进行设计，桥梁整体长度为285m，桥面宽度在9～13m范围内变化。主梁结构基于预应力混凝土连续刚构进行建设，主梁的截面为箱型结构，跨径方面采用的组合形式为30m+50m+30m。对公路桥梁结构进行抗震设计是一项非常复杂的工程项目，涉及很多方面的专业知识和内容。尤其是桥梁的跨度相对较大，不同桥墩由于结构上的差异，导致其刚度也不同。这给计算过程带来了一定的难度。具体计算时需要以最坏的地震工况条件进行设计，这样才能够确保公路桥梁的运行可靠性与安全性。

1.2 计算结构的选取

（1）计算方法选择。为了提升桥梁结构的抗震性能，不同位置的墩柱采用不同的结构形式。其中，中间部位的墩柱使用固定支座，两侧部位的墩柱使用单向或者双向支座，桥梁上部结构采用预应力混凝土连续刚构采用这种设计的优势在于，一旦该地区发生地震时，沿着桥梁方向的地震力可以通过固定支座支撑，垂直于桥梁方向的地震力可以通过所有的支座来承担。基于此，需要利用《公路桥梁抗震设计细则》中相关的条款，对公路桥梁结构在顺着桥梁方向和垂直桥梁方向上的抗震性能进行分析计算。上述文件中对公路桥梁抗震设计提出基本的原则，即对于普通的公路桥梁结构而言，应该确保小震无碍、中震可修、大震不倒。根据以上原则，在进行抗震设计时，可以从三个方面着手进行设计，分别为桥梁结构地址的选择、桥梁结构材料延展性、整体桥梁结构的稳定性。

（2）地震参数。设计时假设地震为4度基本烈度，地震过程中产生的加速度峰值为0.4G，反应谱特征周期为0.64s，桥梁结构的重要性系数规定为1.1。

（3）结构单元选取。对桥梁结构进行抗震性设计时，需要将其划分成为不同单元，针对每个单元进行分析计算。结构单元的划分方法有很多种类型，划分方法不同则会对计算过程和结果产生一定程度的影响。通常情况下大型桥梁可以将伸缩缝作为划分单元的依据，即两条伸缩缝中间的结构作为一个结构单元进行计算。表1为本桥梁划分的代表性结构计算单元。

表1 公路桥梁抗震设计时划分的主要结构单元

单元长度、桥梁整体宽度以及墩柱高度等都会对抗震计算过程和结果产生非常重要的影响，在划分结构单元时需要充分考虑这些因素。由于抗震设计影响因素较多，所以需要明确主要因素和次要因素。首先根据主要因素对桥梁支撑墩柱尺寸进行设计计算，在此基础上再考虑其他次要因素，明确墩柱横截面的尺寸。为了确保桥梁整体结构和支承墩柱之间的协调性，在开展设计计算时将桥梁宽度视为基础信息参与计算。

2 桥梁结构的抗震设计要点分析

2.1 桩基础和墩柱设计要点

（1）桩基础的设计要点。对于整个桥梁工程而言，桩基础是非常重要和关键的环节。因此在进行抗震设计时需要综合考虑多方面因素，在所有因素中最关键的因素是极限弯矩值和剪力值。根据极限弯矩值可以计算得到桩基础需要的配筋方式及其数量，根据极限剪力值可以计算得桩基础的极限高度大小，根据桩基础之间的距离、总的基础数量以及桥梁宽度可以计算得到单个桩基础需要承受的作用力。本研究在确定桥梁结构时采用假设法，首先假设桥梁宽度，根据该数值进行抗震结构设计，明确桩基础的结构形式。计算结果发现，当桥梁宽度为17m时，需要采用群桩方式进行施工，其中群桩数量至少为三个以上，当桥梁宽度为9m或者13m时，可以采用双桩结构方式进行施工，这样才能确保桩基础达到要求的抗震等级。

（2）墩柱的设计要点。单个墩柱在正常工作时下部区域可能会存在塑性剪切的现象。根据假设的地震烈度等级可以计算出墩柱需要的配筋形式及其数量。根据沿着桥梁方向和垂直桥梁方向需要的极限弯曲值，可以计算得到墩柱使用的混凝土结构强度、墩柱的轴向力以及超强系数。在以上综合分析的基础上明确墩柱的直径大小及其组合形式。在完成墩柱的设计工作后，还需要再对桩基础以及整个桥梁结构进行验算，确保都达到抗震等级要求。

2.2 其他环节抗震设计要点分析

（1）墩柱截面形状选择。墩柱截面如果太大，则会增加其自身重量，影响整体结构的稳定性，为了提升抗震的等级，桩基础对应也需要增加其截面形状。如果墩柱截面积相对过小，导致其刚度无法达到抗震基本需要，则会影响桥梁的抗震等级，因此需要结合实际情况合理控制墩柱截面大小。

（2）通常情况下，对于固定支座墩，尽量不选用矮墩结构。因为矮墩结构的刚性相对较好而柔性相对较差，一旦发生地震时会影响桥梁结构整体的抗震性能。桥柱中间以及边梁的两侧应该预留一定的间隙，一方面防止桥梁整体热胀冷缩造成挤压，另一方面避免地震时产生落梁的问题。

（3）为了避免地震过程中，桥梁整体发生横向移动问题，需要在桥墩上部位置设置限位块，其中限位块可以直接利用钢筋混凝土材料进行浇筑。梁段和桥台背墙中间可以设置橡胶块，这样在发生地震时，橡胶块可以起到很好的缓冲作用，降低桥梁结构的振动幅度。本工程案例中，墩柱上方的盆式支座同样采用的是橡胶材料，这种类型的支座称为隔振支座。作用同样是起到缓冲的效果，减少桥梁振动幅度。

3 公路桥梁抗震设计注意事项

（1）桥梁在设计时尽量保持横平竖直，特别是桥梁轴线应该保持直线。主要是因为桥梁轴线如果出现弯曲情况，则会降低其整体结构的强度和钢度。桥台与桥轴线、桥墩之间需要保持严格垂直，如果存在斜交现象，那么地震时会产生明显的转动效益，进而影响桥梁的性能。另外，尽量保持桥梁路面的连续性，不要出现断层的现象。

（2）在桥梁选址方面需要特别谨慎，确定地址之前需要系统全面勘查相关区域的地质情况。不得在沙土或者软土区域建设桥梁结构，尽量选择在岩石或者具有很好冲击性能的土地上建设桥梁结构。如果桥梁附近区域土地性质较为软弱，一旦发生地震时，地基就会发生沉降，必然会影响桥梁结构的可靠性，使桥梁结构整体沉降。设计时还要确保沿着桥梁方向和垂直于桥梁方向，两个方向上桥梁结构的刚度相同，如果两个方向上的刚度存在比较大的差异，则地震时会导致刚度较差的方向发生明显损伤。

（3）通常情况下桥梁墩柱之间的距离越小，则桥梁结构整体的抗震性能越好。所以在抗震设计时应该尽可能缩小两个墩柱之间的距离，减小跨径。墩柱之间的距离越小则分布到每个墩柱中的轴向力相对更小，可以减小每个墩柱的弹性变形量。在材料选择方面，应该尽可能选用能够承受更大变形量的材料，这种类型的材料在发生较大变形时也不会出现裂纹的问题。另外，在抗震设计中不可以使用静定结构，而应该使用超静定结构。

4 结语

随着我国社会经济的快速发展，近年来我国建设了大量的公路。桥梁结构是公路中的重要构成部分，其性能好坏对公路工程项目质量有决定性的影响。为了提升公路桥梁结构运行的可靠性和稳定性，在设计时抗震设计是其中非常重要的内容。公路桥梁结构的抗震设计涉及方方面面的内容，从桥梁建设地址的选择、施工材料的选择、整体结构的设计等等，都需要严格设计控制，只有这样才能提升桥梁结构的抗震性能，保障桥梁运行的可靠性和稳定性。