桥梁结构抗震设计与设防措施

聂留洋

安徽巢湖路桥建设集团有限公司 安徽合肥 238000

伴随着现代化城市发展步伐的进一步加快，各城市间的合作交流机会增多，往来贸易日益频繁，在此过程中，作为连接城市与城市的纽带——公路桥梁所发挥出的作用是非常巨大的。为进一步发挥出公路桥梁的巨大作用，就必须持续加大公路桥梁建设力度，加大桥梁设计研究，尤其要加大公路桥梁抗震设计工作，以不断提升桥梁建筑的结构稳固性、耐久性及安全性。张宏杰[1]认为，在公路桥梁建设实践当中，科学有效的抗震设计是提升其总体质量、确保工程使用功能得以正常发挥及延长桥梁使用寿命的关键。因此，加强公路桥梁抗震设计意义重大。而要想使公路桥梁抗震设计工作更具科学性、合理性，就必须把握相关设计要点，如节点抗震设计、基于“性能”抗震设计、减隔震装置优选及桥梁结构细节设计等，从根本上解决公路桥梁设计中安全性不足、耐久性不高的问题，确保公路桥梁工程投入运营后的使用寿命及安全性。本文通过对相关文献资料的梳理，分析了加强公路桥梁工程抗震设计的必要性及抗震设计研究现状，就公路桥梁项目抗震设计要点谈几点认识。

1 加强公路桥梁结构抗震设计的重要性

在公路桥梁工程设计阶段，注重其抗震设计对于工程整体质量的提升、实现桥梁使用寿命的延长及投入运营后的行车安全起到决定性作用，而要实现公路桥梁设计安全性及耐久性指标的提升，设计单位及设计人员应对各个环节加以充分考虑，要运用科学、先进的理念进行设计，并不断创新公路桥梁抗震设计方式，把握设计要点，根据实际情况制定最为科学、高效的设计方案，确保工程设计质量满足其交通功能需求及安全使用标准。公路桥梁是中国经济建设中非常重要的一项工作内容，因此，加强公路桥梁抗震设计，不仅是对人民群众负责，更是在为进一步促进国家经济建设发展做贡献[2]。

1.1 桥梁结构抗震设防的基本标准

从当前我国公路桥梁的抗震设计发展情况来看，桥梁的抗震设计基本为一级标准。在地震震动级别较大、震源浅、烈度较大的情况下，抗震技术参数往往会超过桥梁设计最开始考虑的范围，如果公路桥梁结构抗震设计为一级，则是无法满足整个桥梁的设计使用需求。最早时期颁布的《公路工程抗震设计规范》已经不再符合现有社会经济发展对桥梁结构抗震性能的要求[3]。在新时期，桥梁结构的抗震设计标准具体如下所示：①桥梁的抗震设计需要根据地形、地质条件、工程规模、以往抗震经验来选择适合的桥型、墩台和基础形式。②桥梁结构的抗震设计需要能够为抗震设计提供有力的支持，尽量避免高墩和大跨的结合。桥梁结构适合采用减少上部结构自重并有利于抗震的结构形式。③公路桥梁适合应用能够提升桥梁结构整体性的连接方式，并采取有效措施来提升墩台的延性。

2 公路桥梁抗震设计研究现状

传统的结构抗震设计中，为了提高结构在地震来临时的抗破坏能力，通常采取措施提高结构的强度或者采用减震装置提高自身的变形能力。

在进行实际的桥梁抗震设计时，需要采用一些技术或措施来提高结构物的整体性和安全性。在传统设计中，主要通过增加配筋率，增大结构构件截面尺寸减轻地震对桥梁结构的影响，以防止倒塌，但此种处理方式因不能耗散地震能量，对于提升桥梁结构安全性的空间有限，还会破坏工程景观，尤其对于工程造价控制方面不利。一般来说，按照控制系统是否需要外加能源，分为被动控制、主动控制、混合控制和半主动控制，其中，被动控制发展相对成熟，常用的减震方法主要有三种：基础隔震、耗能减震和被动调谐减震[4]。

当前桥梁抗震设计理论已经从过去普遍采用的基于地震力的设计转变为基于性能的设计，桥梁抗震关注的重点已经从结构抗震、减震转向震后结构功能可恢复与快速恢复，能在不同地震强度下能实现多级性能目标的韧性桥梁成为桥梁抗震工程界的共识及未来发展方向。

我国现行的桥梁抗震设计规范，无论是公路桥梁抗震设计规范（JTG/T2231-01—2020）还是城市桥梁抗震设计规范（CJJ166-2011）均采用三级设防的概念，希望桥梁实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”三级性能目标。具体为：在小震作用下，桥梁结构整体保持弹性，震后不产生损坏，不需修复可立即恢复使用；在中震作用下，允许桥梁结构产生一定的可修复的损坏，震后可通过修复恢复交通；大震作用下，允许桥梁结构发生不致倒塌的破坏，实现‘大震不倒’，避免危及生命安全。规范中与“三水准设防目标”相对应的是‘两阶段设计方法’，即在地震（频遇地震）作用下通过结构截面的强度验算，在地震（罕遇地震）作用下通过结构薄弱部位的弹塑性变形验算，并采取相应构造措施。当前与‘两阶段设计方法’对应的两大桥梁抗震设计理论为延性设计与抗震设计。其中延性设计是通过桥梁结构特定部位的延性变形耗散地震能量，而对于钢筋混凝土梁桥，一般将墩柱作为延性构件设计，但实践表明采用延性设计方法的桥梁通常在大震后存在较大损伤、修复困难；而抗震设计通常通过在特定位置安装减隔震装置，通过延长结构自振周期、增加结构阻尼、调整结构刚度分布等减小桥梁结构的地震响应，但由于设计方法的局限性，地震中往往出现减隔震装置变形过大、失效等问题。

对于连续梁桥等规则桥梁，目前其抗震设计仍普遍采用基于力的设计方法（反应谱法），设计地震力可通过其等效单自由度系统的基本周期T及设计反应谱计算，将计算出的水平地震力与结构弹性承载力进行对比，完成频遇地震作用下结构的强度验算。然而对于罕遇地震作用下结构的变形验算，由于基于力的设计方法在结构进入弹塑性阶段以后不再适用、无法有效预估罕遇地震作用下的结构变形，目前主要通过试算法，对经过强度验算的桥梁进行罕遇地震强度下的地震分析（通常是时程分析），将分析得到的变形与容许变形对比，若不满足变形验算要求，则需调整配筋、截面等重新进行验算，如此反复直至满足变形要求，这一过程往往效率低下。除此之外，基于力的设计方法难以有效控制桥梁结构在地震下的破坏程度，导致罕遇地震过程中减隔震装置可能发生失效、震后桥墩等关键位置易出现较大的残余变形等问题，造成桥梁震后可恢复性差[5]。

综上，当前国内桥梁抗震设计方法存在需要迭代效率低、无法控制罕遇地震下结构的破坏程度等问题，与韧性桥梁的发展方向不符，因此具有更佳抗震性能且性能可控的抗震体系及更简单明确的设计方法亟待建立和完善。

3 桥梁结构抗震设计与设防措施要点

3.1 结构加固设计

当前，中国公路桥梁大多是钢筋混凝土结构，桥体结构稳固性除受到地质条件、自然条件影响外，还会受到固定荷载的影响；随着运营时间的加长，在经过十几年或数十年的运营后，公路桥梁会出现不同程度的老化问题，抗震效果就会弱化，不利于路桥安全运行。如果直接拆除新建，就会耗费大量资金，显然在经济、时间上不存在可行性。为此，必须在桥梁建设之初就加强抗震设计。现阶段，中国路桥建筑企业在应对桥梁结构加固方面，能够灵活运用加铺钢材或扩大桥梁结构横截面面积等方式。随着中国社会经济及科学技术水平的快速提升，桥梁结构加固技术手段不断增多、新型高性能建筑材料也在逐渐增多，比如纤维增强材料的研发与应用，在提升桥梁结构稳固性方面就起到了理想的效果[6]。

3.2 节点抗震设计

节点是连接桥梁墩体、主梁的重要传力构件。在桥梁结构中，节点所起作用最大，它能够将桥梁上部荷载传递至桥墩，并经地面消散，保障桥梁整体结构的稳定性。在公路桥梁设计之中，如果所选取的盖梁刚度与墩刚度参数接近，地震灾害发生时，侧向惯性力就会使破桥梁结构受损，各节点区域内的箍筋就会在极短时间内受到巨大作用力，其刚度就会被削弱，抗震性能就会大幅下降，无法保障桥梁结构的整体稳定性，因此，在桥梁（抗震设计）之中，一定要严格把控节点设计，合理设计其刚度参数，确保桥梁抗震性能能满足桥梁结构质量要求。

3.3 基于“性能”抗震设计

当前，在公路桥梁设计工作实践之中，基于抗震性能的设计手段及方法得到了广泛推广与应用。基于“性能”抗震设计其实就是设计人员在进行桥梁（抗震设计）之中，首先要明确桥梁抗震目标要求，对桥梁主体结构抗震性能进行科学界定，同时严格按照桥梁遭遇地震风险及应对办法进行科学设计，同时结合《城市桥梁抗震设计规范》、《公路桥梁抗震设计规范》等相关设计规范进行科学合理的设计，以减少桥梁在地震力作用下的破环程度，提高桥梁的使用年限[7]。

3.4 合理选择减隔震装置

减隔震装置的选择是否科学合理对桥梁减隔震效果的影响较大，因此，在进行公路桥梁抗震设计之时，一定要做好减隔震装置的优选。市面上常见的桥梁减隔震装置主要有分层橡胶支座、互动摩擦式支座、铅芯橡胶支座、钢阻尼器、摩擦摆减隔震支座、双曲面球型减隔震支座等类型，选择时切不可盲目进行，一定要结合桥梁项目设计实际情况及抗震目标要求灵活选用。由于不同类型的减隔震装置性能及应用机理是不同的，例如，摩擦摆减隔震支座减震装置是充分应用了钟摆原理，利用滑动界面相互摩擦方式实现地震能量的消耗，从而达到减震目标预期[6]；铅芯橡胶支座是一种基于板式橡胶的支座，在应用该装置时，需在支座中心位置处放置铅棒，使支座阻尼性能发生改变，在桥梁主体结构及外力作用下，铅芯会形成滞后阻尼的塑性变形，此过程中会吸收大量能量，而橡胶部分就可以为其提供重新恢复的作用力。

在桥梁抗震设计之中，上述减隔震装置一般都不是独立应用的，往往配合使用，实现各减隔震装置的优势互补，以达到共同提升公路桥梁结构减隔震性能指标。例如，可以将阻尼器与分层橡胶支座、滑动摩擦式支座进行配合使用，以尽可能地发挥出各种减隔震装置的抗震、减震作用，确保桥梁减隔震性能的提升。

4 结语

总而言之，加强公路桥梁抗震设计是保障桥梁结构稳固性的重要手段，因此，在开展公路桥梁设计之中，一定要注重其抗震设计，把握设计要点，加强各节点区域的抗震设计。并做好减隔震装置的优选工作，力求最大程度地保障桥梁整体结构的稳定性。