桥梁抗震设计要点及减隔震技术的应用分析

胡迎新

（1.中南大学，湖南 长沙 410075；2.湖南中大设计院有限公司，湖南长沙 410075）

0 引言

桥梁工程是重要的基础设施，是连接区域交通的生命线，一旦发生地震灾害，桥梁结构受到破坏或倒塌，会引起一系列的次生灾害，造成巨大的经济损失。根据以往经验发现，许多事故都是由于抗震设计不合理造成的，因此需要不断完善设计规范，推出新的抗震技术，采用更高级别的抗震设防水准灵活应对不同类型的地震，做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

1 桥梁不同部位震害分析

1.1 上部结构震害

桥梁的上部结构主要包括桥面结构、承载结构以及支座。在发生地震灾害时，如果桥梁结构遭遇的地震动超过了设防地震动，就会产生桥梁破坏。桥梁上部结构自身发生震撼的情况较少，主要表现形式为局部的屈曲破坏、连接部位损坏等，更多地表现为移位震害。大部分桥梁的上部结构和下部结构是柔性连接的，在强震的作用下，桥梁上部结构会发生纵向和横向位移，如果位移较小，在震后恢复原位即可；如果位移较大，超过了有效支撑宽度，就会产生落梁问题，而且会造成二次伤害，如落梁时撞到桥墩破坏下部结构，这样不但会影响灾后救援工作，而且震后修复的难度比较大，所以要尽可能避免落梁震害的发生。除了移位震害之外，碰撞震害也比较常见，包括相邻跨梁体碰撞、梁体与桥台碰撞、桥梁间碰撞等。如果碰撞比较严重，可能发生倒塌危险。支座震害也不容小觑。在地震作用下，上部结构产生的力会通过支座传递到下部结构，如果作用力过大，就会造成支座损伤，但是能够起到一定程度的保护作用。支座震害的主要形式有脱落、移位、自身构造破坏、锚固螺栓破坏等[1]。

1.2 下部结构震害

桥梁下部结构主要指桥墩、桥台及基础部分。如果桥梁墩台发生严重破坏，便会引起桥梁倒塌，在短时间内很难修复，会造成巨大的经济财产损失。在强烈的地震作用力下，钢筋混凝土桥墩的破坏形式主要有弯曲破坏和剪切破坏。弯曲破坏是一种延性破坏形式，结构一般具有良好的变形能力。弯曲强度低于剪切强度，主要由结构抗弯性能控制，其破坏过程通常包括4 个阶段，依次是：水平弯曲裂缝—结构受拉侧纵筋屈服—保护层脱落，塑性铰范围扩大—纵筋屈服甚至被拉断，内部混凝土被压碎。经过分析研究发现，约束箍筋配置不足、纵向钢筋连接不牢固等问题都会导致延性变形能力差，从而出现弯曲破坏。剪切破坏是一种脆性破坏形式，结构的剪切强度低于弯曲强度，主要由剪切性能控制，其破坏过程也可以分为4个阶段，依次是：水平弯曲裂缝出现—斜向剪切裂缝出现—箍筋屈服并引起剪切裂缝增长—发生脆性剪切破坏。产生剪切破坏的主要原因有箍筋配置不足和纵向钢筋过早切断，相对而言，剪切破坏更容易产生严重后果，不易耗散地震能量，而且发生很突然，震后很难修复，所以要尽可能增强结构设计，避免发生脆性破坏。

框架墩是常用的桥墩形式之一，根据历史经验，框架墩震害主要有盖梁破坏、墩柱破坏、节点破坏。钢筋锚固长度不足、盖梁负弯矩钢筋过早截断是发生盖梁破坏的主因，墩柱破坏与普通墩柱破坏相似，节点破坏主要指剪切破坏。桥台震害也比较常见，包括桥台倾斜、台身与梁体碰撞破坏、桥台椎体护坡破坏。桥梁基础震害主要表现为地基失效，尤其是在软弱土层，相对于无桩结构，采用桩结构会提升软土地区桥梁的抗震能力，但仍然会出现桩基弯曲、剪切等破坏。

2 桥梁抗震设计要点研究

2.1 防落梁设计

在防落梁设计时，应该根据落梁产生的原因进行针对性处理。根据相关规范，并结合设防地震动大小、墩身高度、结构跨度等综合因素，设置足够的墩台支撑面宽度，能够将上部结构位移限制在防落梁长度内。同时，要安装合理的纵横向约束装置，一定程度上能够限制梁体移位。混凝土挡块是目前应用较广的约束装置，通常设置在横桥内，能够满足变形需求。大多数桥梁都会在墩台顶设置支座垫石，如果梁体脱落，那么坠落高度等于垫石高与支座高之和，增加了主梁折断的风险，而且会造成巨大的冲击力，所以在设计支座垫石时，应该使其在顺桥向与墩台边缘保持齐平，从而降低梁体坠落高度，提升灾后桥梁的通行能力。当桥梁相邻墩高差较大时，桥梁整体质量和刚度分布不均，相邻跨的动力特性相差较大，在地震作用下会产生非同向震动，应该尽可能使桥梁相邻跨动力特性相近，控制相邻桥墩侧向刚度比，使刚度变化平缓，有效降低碰撞和落梁震害的发生[2]。

2.2 防碰撞设计

桥梁发生碰撞震害后，可能造成梁体、背墙的破坏，增加落梁的风险。为了避免碰撞震害的发生，可以通过加大设计间距的方式。当然，在复杂的作用力下，增大间距也未免会产生作用，有些部位的碰撞是难免的，如梁体和桥台，可以通过设置缓冲装置来避免或缓解撞击。

2.3 防支座破坏设计

在桥梁结构体系中，支座是抗震性能相对薄弱的部位，如果自身强度不够或者与上下部连接强度不够，那么很容易产生各种破坏，而支座破坏会使桥梁结构传力途径失效，影响整体结构抗震性能，所以要充分重视支座的抗震设计。许多公路桥梁都设计了板式橡胶支座，直接放置在支座垫石上，然后主梁再落到支座上，三者之间缺乏有效连接，水平抗力主要依靠摩擦力。在汶川大地震后当地的桥梁支座脱落、移位问题就比较突出，需要采取必要的锚固连接措施，保证连接强度，避免支座被过早破坏，同时尽可能使用构造简单、性能可靠的支座，也可以采用减隔震支座，使支座不再是抗震体系中的薄弱环节[3]。

2.4 防墩台震害设计

发生地震灾害时，桥梁墩柱将上部结构和自身所受到的地震力传递到墩柱中心，如果墩柱设计不合理，就很容易使墩柱破坏严重。根据以往经验，许多桥梁墩柱震害都是由于钢筋构造不合理导致的，如箍筋设置不合理、纵向主筋连接不牢、钢筋锚固长度不够等。在等截面桥墩中，基部截面的受力情况最复杂，弯矩和轴力最大，所以桥墩强度主要受基部截面控制。因此，在桥墩基部配置密集箍筋，有利于提高桥梁桥墩抗震能力。同样，如果桥墩强度是由其他截面控制，那么也应该在相关控制截面设计箍筋加密。在墩台抗震设计时，应该根据结构受力大小适当调整纵筋布置，即受力大的区域多布置、受力小的区域少布置，避免纵向钢筋过早截断，改变结构控制截面。在荷载作用下，截断截面会率先产生破坏，因此要通过科学计算合理设计纵向钢筋截断位置。为了防止桥墩产生严重破坏，首先要采用合理的结构，选择合适的塑性铰区。其次，要提高非塑性铰区强度，这样能够在强震作用下将塑性变形限定在塑性铰区，加强塑性铰区细节构造设计，保证其具有足够的延性变形能力，同时要加强桥墩的合理化设计，提高抗剪能力，使抗剪强度大于弯曲强度，避免发生剪切破坏。由于结构形式不同，框架墩的抗震设计与普通墩存在差异。如框架墩横系梁的设计不但能够提高桥墩刚度和稳定性，而且可以合理分配地震力。通常情况下，横系梁的强度要略小于墩柱。在强震作用下，塑性铰要出现在横系梁上，这样可以进一步耗散地震能量，通过一定程度的自身损伤，可以保护主要构件。框架墩属于超静定结构，受力相对复杂，在抗震设计时需要进行细致分析，可以通过合理的节点配筋避免节点剪切破坏。桥台后填土压力变化是桥台震害的主要原因，应该不断优化设计方案，尽可能避免梁体与桥台的碰撞，并且加强台身构造设计，提高台后填土质量，这样可以有效防止发生桥台震害。

2.5 防基础震害设计

地震的发生具有一定的复杂性和随机性，目前尚不能准确预测发生地震的位置，但是必须科学进行工程选址，保证地基及一定区域的地层具有一定的强度、刚度、稳定性、抗渗性。加强对各种地质缺陷的分析，考虑建设地区的地震烈度，尽可能避免在高烈度地区建设，尽量避开断层裂谷边坡，加强地基加固处理设计，通过换填、夯实、预压、振冲、注浆等多种方式，减少震陷危害的发生。桩基础的震害具有较强的隐蔽性，在震后难以准确评估而且不易修复。根据相关调查发现，软土地基中的桩基础震害主要是由于构造不当或强度不足导致的，所以在桩基础设计时，必须保证设计强度能够满足工程需求，桩与承台连接可靠，深入稳定土层的长度必须足够，能够得到有效的支撑。

3 桥梁减隔震技术应用

3.1 减隔震技术概念内涵

抗震设计主要通过合理的结构设计和细节构造措施保证桥梁整体安全，允许地震能量传递到结构中，难以避免会产生结构构件损伤，而且后续的修复费用较高，所以必须积极寻求更为有效的抗震手段。减隔震技术是减震技术和隔震技术的总称，属于被动控制技术中的一种，发展相对成熟，应用较为广泛。减震技术是在结构中安装具有特殊性能的特制装置，当发生强震时，该装置能够率先进入塑性，产生较大的阻尼，从而有效消耗地震能量。隔震技术是通过安装隔震装置将结构与地面运动隔离开，这样能够减少地震能量进入结构中。通常情况下，会将两种技术联合应用，在合适的位置安装减隔震装置，能够合理控制结构内力分布，通过阻尼耗能和隔震双重作用，达到减隔震目的，提升整体抗震性能。随着抗震规范的不断更新，桥梁抗震已经由单一设防水准发展为两级设防水准，减隔震技术的应用也将越来越广泛[4]。

3.2 减隔震技术应用原则

3.2.1 应用条件

减隔震技术已经经过了理论和实践的考验，能够有效减小震害损失，但并不是任何情况下都可以应用，所以首先要全面了解桥梁工程的具体情况，然后通过分析计算判断是否适用减隔震技术，最后进行减隔震设计，充分重视连接和防护构件设计，保证减隔震装置能够有效发挥作用。通常情况下，基本周期短、桥墩矮的桥梁可以采用减隔震技术，有利于延长结构周期、减小地震响应。建设场地条件好，以坚硬土或岩石为主的也可以采用减隔震技术，有利于避开能量多的高频地震动。对于桥墩高度差大、刚度不均匀的情况，采用减隔震技术能够调节各桥墩刚度，使地震力均匀分布于各桥墩。相反，桥梁基本周期长、场地处于软弱土层、桥梁支座出现较大负反力、结构位移限值较小等情况就不适合采用该技术，会产生一定的负面影响。

3.2.2 设计要求

隔绝地震动和提高结构耗能能力是减隔震设计的重点，不能盲目追求延长结构周期，应该选择构造简单、满足要求、性能可靠的减隔震装置，不能影响正常使用。当桥梁结构出现缓慢变形时，装置应该产生比较小的抗力，减隔震装置应该具有较强的自复位能力，能够在地震后基本恢复原位。在高烈度地区，减隔震设计应该结合增加结构阻尼和延长结构周期进行。当相邻桥墩场地条件差距较大或者刚度差距较大时，减隔震装置设计抗力需要与桥墩所受地震作用相匹配。减隔震装置应该具有较大的初始水平刚度，保证在外力作用下不会产生有害震动和太大变形，在地震作用下能够保持良好的竖向支撑能力。通常情况下，减隔震装置会设置在桥墩顶部，可以用减隔震支座替代普通支座，这种方式操作简单而且经济实用。科学的减隔震设计不但能够降低地震作用，而且可以合理分配地震力，通过调节装置刚度，能够适度调整桥墩承担的地震作用力，防止刚度大的桥墩承担太大作用力，同时减小基础条件差的桥墩承担作用力。另外，充分重视横桥向减隔震设计，使桥墩间横向刚度更加协调，能够减小横向位移差导致的梁体扭转，从而降低结构的横向响应。

3.3 常用装置

良好的减隔震设计应该充分考虑多种因素，采用合适的减隔震装置，并且注重细节设计，保证减隔震桥梁抗震性能和动力特性良好。常用的减隔震装置分为隔震耗能装置、隔震装置、阻尼器或耗能装置。其中，隔震耗能装置主要有高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座，同时具备耗能和隔震两种能力。隔震装置主要有滑动支座和橡胶支座，而阻尼器或耗能装置可以分为位移型、速度型及其他型，能够增大结构阻尼、耗散输入结构的能量。当然，每种减震隔震装置都有一定的优缺点和适用范围，需要根据实际情况合理设计选用[5]。

4 结语

综上所述，地震灾害会造成大规模的人员伤亡和经济损失，破坏各种工程设施，所以建立安全、可靠、经济的抗震设计体系一直是重难点问题。随着桥梁抗震设计规范的不断升级，需要不断调整抗震设计理念，明确抗震设计目标和要点，并积极利用先进的减隔震技术，提高桥梁整体的抗震性能，减少结构破坏和功能损失。