现时期公路桥梁设计及其抗震优化研究

樊康义

（云南行一工程检测有限公司,云南 昆明 650500）

0 引言

我国幅员辽阔，地形复杂，多山脉、河流，地震灾害较为多发，比如汶川地震、青海地震等，对人民生命财产安全造成了极大的损害[1]。复杂地形中公路桥梁众多，因此，有必要加强对桥梁抗震优化的研究，研发出更有效、安全的设计方案，以保证公路桥梁的质量安全和强大的抗震减震性能，促进公路桥梁技术的进步。

1 公路桥梁结构的震害及原因分析

地震容易破坏桥梁的结构，使桥梁无法达到继续使用的安全标准。在实际桥梁结构的设计中要了解桥梁出现震害的原因，重视桥梁结构的防护与抗震的设计。场地相对位移、产生强制变形、桥梁振动等都是影响桥梁结构的主要震害。桥梁所在场地的移动和位移，会造成桥梁结构的震动，使桥梁结构在超静定结构内力的作用下出现形变。另外，在地震的影响下桥梁结构还会出现倾斜、桥墩沉降开裂、位移等不同程度的破坏，无法保证桥梁的安全使用[2]。地震破坏形式多样，造成桥梁结构的损害程度及损害位置都是存在差异的。地震发生后地基的相对运动也会引起桥梁的位移，会使桥梁结构的各个受力点受到严重影响。受力角度和承载力大小也会因地震发生变化，使桥梁结构本身的受力出现相互碰撞等问题。地震后地基周围的土质发生变化，还有可能引起桥梁的整体隆起。此外，桥梁震伤的表现形式还有桥墩支座的弯曲倒塌等。

1.1 桥梁上部结构的震害

地震对桥梁上部结构的损坏主要包括支座损毁、桥梁相对位移、水泥脱落等。这些震害也会造成桥梁整体结构的损害。桥梁上部的损害中对整体影响最严重的就是盖梁和墩柱的损害。

我国地理环境复杂，不同地区的桥梁结构设计也有所不同，地震对桥梁结构的破坏作用是复杂且明显的。当桥梁受到地震损害时，震害会首先破坏桥梁的体制架，使桥梁上部结构的完整性受到严重破坏，这不仅会对人类的生活造成影响，也会造成相应的经济损失，因此在桥梁结构设计和建设中，应重点关注桥梁结构的稳定性，尽可能地降低桥梁上部结构的连接部分在地震时受到的伤害[3]。

随着我国建筑技术的快速发展与完善，在桥梁结构项目的设计与建设中，已经逐步完善了桥梁上部结构的抗震措施，但是当发生特级地震灾害时比如汶川地震，地震力仍会破坏桥梁上部结构的各个节点，使梁体互相碰撞，导致桥梁错位变形，对桥梁造成毁灭性的破坏。

1.2 桥梁下部结构的震害

1.3 桥梁基础震害

桥梁基础是桥梁建设中最为重要的一部分，基础的稳定牢固是桥梁整体安全的保证和前提。地震发生时，桥梁地基会在地震力的作用下出现土地液化、稳定性降低、沉浮不均等情况，这会直接导致桥梁的断裂、下沉。地震引起横向波动也增加了地基受到的横向作用力，导致桥梁地基的横向损害。

2 抗震设计基本理论

2.1 桥梁抗震设计概念

减隔震设计也就是我们所说的抗震设计。桥梁的设计要以安全性、耐久性、经济性为原则，在桥梁的抗震设计中，要分析桥梁受到的震力和桥梁的抗震结构，合理设计桥梁结构，加固桥梁容易出现问题的部位，尽量减少地震发生时桥梁受到的损坏，使桥梁能够满足安全、强度、经济等多方面规范要求。隔震设计与减震设计不同，隔震设计是为了在地震发生时，通过在桥梁结构上添加隔震设施，能够有效地缓解地震释放的能量，减缓震波的冲击和破坏，使桥梁在地震中受到的破坏力减小，从而起到保护桥梁结构的作用。在桥梁的设计和使用过程中，耗能构件和阻尼装置在减隔震关键设备中起到重要的作用。

2.2 抗震设计应用原理

2.2.1 结构控场

经过实践经验和对以往工程的总结分析可知，在公路桥梁结构的抗震设计中，结构控制技术的应用对提高桥梁结构的抗震性能有很大帮助。结构控制技术主要有主动、被动、混合控制技术三种。我们经常使用的是被动控制技术。它的技术原理就是经过精细测量桥梁结构的现场参数，设计出桥梁结构的优化方案，使桥梁结构在地震中受到的影响最大程度地降低。

2.2.2 结构延性控制设计

目前，我国公路桥梁建设技术日益成熟，在满足桥梁结构的安全性、强度与高度的前提下，还应考虑桥梁建设过程中使用材料的适用性、经济性、重复利用的可能性。为了降低地震时传入桥梁结构中的能量，减小震波对桥梁结构的破坏，提升桥梁结构的强度和结构的延展性，在桥梁的抗震设计中起着关键作用。桥梁结构的延性设计，是以桥梁的塑性变形来抵消地震对桥梁的破坏，虽然使桥梁的整体变形增大，但桥梁结构内部的地震力却减小了，公路桥梁在地震灾害时受到的破坏被有效降低了，使桥梁在地震后，通过检修能够继续恢复，减少财产上的损失和需要修复的时间。

3 抗震设计要点分析

3.1 桥梁减震隔震设计

桥梁结构的整体抗震设计中，减、隔震技术主要由减震和隔震组成。在公路桥梁的建设中，减、隔震技术最主要的目的是最大限度地把由于地震引起的地面运动与桥梁的整体结构分离开，为了这个目的的达成，可以延长桥梁结构的基本周期。如图1所示，延长结构的基本周期可以有效地降低地震对桥梁结构的破坏，地震的震动频率是随着结构周期的变长而减小的。延长结构的基本周期虽然可以降低地震对桥梁结构的作用力，但是也代表着桥梁结构位移的增大。

图1 加速度反应谱图

在桥梁结构的设计中增加阻尼装置，可以有效地避免桥梁位移过大。当地震发生时，减震装置可以将地震的震力转移、削弱，吸收，从而达到减震的目的。隔震是对桥梁结构的优化与调整，延长振动周期将振动所产生的冲击力分散降低，进而降低地震对桥梁结构稳定性的影响，如图2所示。

图10为电压补偿后各变流器输出电压的仿真结果。由图10可以看出,小扰动发生后,各变流器输出电压动态响应过程中超调量较小,响应较快,上下波动范围不超过5 V,且输出电压稳定在额定电压,满足了负荷可靠供电的要求,保证了系统的稳定性,验证了本文控制方法的有效性。

图2 位移反应谱图

3.2 合理选择施工场地

公路桥梁工程建设中，抗震设计最为重要。桥梁的抗震设计要符合国家的行业规范及标准。桥梁抗震设计中桥梁施工场地的合理选择，是保证桥梁抗震效果的前提，设计时要做到因地制宜，使设计出的桥型能够完全适应当地的地形条件。在选择施工场地时，要先做好场地的勘测工作，避免选择不良的地质，要尽量选择较为坚硬的施工场地，土质越是坚硬，就越能防止地基在地震的作用下发生液化，为桥梁提供安全平稳的地基平台，在地震发生时不会出现严重崩塌，以保证桥梁地基平台的安全稳定性。以硬黏土、碎石等为主的地基是较为坚硬的地基，是桥梁施工场地的最佳选择。如果桥梁所在区域无法避开软地基时，为了防止地基在地震中产生严重变形，保证桥梁的稳定性和抗震性，在施工前要先对地基进行一定范围内的加固工作。

3.3 提高结构和构件的强度和延性

地震对公路桥梁结构的主要破坏为桥梁结构的振动，所以在桥梁的减震设计中，我们要找到办法来尽量地减小由基础传入桥梁结构中的震动能量，同时还要保证桥梁结构的强度。地震时地震力会通过地基传导给桥梁内部结构，使其在地震力的作用下产生位移和形变。如果桥梁结构的延展性不足时，轻微地震造成的变形也有可能造成结构件的断裂，破坏桥梁结构的整体平衡体系。如果桥梁结构件的延展性良好，当地震发生时能够抵挡结构件的形变而不会崩裂，从而提高桥梁的可靠性。因此，为了能更好地降低地震造成的损坏，需要不断地加强桥梁材料的硬度与延性。

3.4 减少桥梁中落梁情况

地震灾害时，可能会有桥梁产生位移、垮塌等不良状况，这是由于地震波所带来的巨大能量传入了桥梁内部结构导致的。所以，我们需找到优化方案可以使桥梁在一定范围内允许发生位移，通过增加桥梁震动的弹性，来有效提高桥梁不同结构连接处的稳定性。此外，另一个容易导致落梁问题出现的原因，是桥梁的主梁与墩台之间的缝隙过大。这个问题可以通过在桥梁中主梁与墩台的位置添加防落梁装置，强化它们之间的联系，从而达到预防落梁的目的。

3.5 加强桥梁墩柱强度的设计控制

桥梁墩柱在整体结构中是最为重要的承重构件。一方面，墩柱在桥梁的整体结构中起到了支撑的作用，一旦被破坏，会导致桥梁整体崩塌。加强墩柱的强度是墩柱抗震设计的核心，这方面的设计可采取以下两种措施：第一，要合理地选择墩柱配筋型号，保证配筋能提供足够的抗弯承载力，从而使墩柱自身的稳定性得以提高，保证墩柱的质量。第二，可以对墩柱进行优化设计，通过对墩柱的加强使其拥有足够的耐受力，可以抵挡住地震发生时产生的破坏力。

4 抗震设计的优化方法

4.1 桥梁上部架构的抗震设计优化

对于桥梁上部架构的优化，主要是为了避免落梁这种非常常见的震害发生。具体做法是加强桥梁的上部结构，并对其整体性进行有效限制。这样做的目的就是当桥梁发生灾害时，桥梁上部结构的抗震能力能够得到有效提升。具体的优化措施有四点：

（1）要有效地固定梁体的底部，从而减小梁体的位移。具体方法可采取横（纵）向位移约束装置或者对梁体底部加钢板来进行固定。比较常用的约束装置有混凝土挡块、拉杆等。

（2）梁体的各项位置参数要严格遵循设计要求，例如，墩台帽和梁端的距离、盖梁边缘到梁端的距离、悬臂和挂梁的确切搭接长度等。

（3）对于桥梁上部和下部结构的位置连接处，可以采用强度更高的锚栓来连接。

（4）对于减少伸缩缝的要求，尤其是当桥梁的跨度较大时，最好采用连续梁，不建议采用简支梁。

4.2 桥梁下部结构抗震设计优化

对于桥梁下部架构的优化，主要作用是为了减小地震带来的巨大破坏力。支座在桥梁的整体结构中起到了连接作用，因此，要消除地震带来的影响可以通过支座的变形来实现，同时，桥梁的下部结构也可以采用弹性理论来进行结构设计。目前，我国桥墩的形式主要有圆柱形、方形以及花瓶墩形。基于以上理论，设计桥梁墩柱的时候，除了要考虑其是否美观、经济之外，还需主要考虑其结构的安全性。经过研究发现，不同地区应当根据自己当地的地形、地质情况来确定具体的桥梁下部结构设计，这样采用不同的理念来设计具体的下部结构才是最为合理、安全、经济的。表1为不同条件下所采取的墩柱设计理念表。

表1 不同地区墩柱设计理念

4.3 引进新型桥梁的抗震设计方法

目前，我国设计人员为了保障桥梁结构整体的抗震能力，在以往的桥梁抗震设计过程中，主要采用两种方式，一是提高结构的整体强度，二是增强结构的延展性。但是，由于我国是多山且地形较为多样化的国家，地区不同，地震对桥梁抗震能力的影响又比较复杂，并且，不同类型的震害带来的破坏也有所不同，因此，我们要针对不同情况采取具体优化措施。现在，我国为了在结构设计方面能够进一步提升桥梁的承载力和抗震能力，主要是采用钢混凝土结构来实现对桥梁的保护，进一步保证结构的稳定，提升整体的应震灾能力，进而保护人民群众的生命财产安全。所以，在抗震灾设计方面，还是要不断地补充和更新先进有效的抗震设计技术，学习参考国外先进的抗震技术，并且不断地提升工程材料的整体性能。

5 结论

该文通过对现时期公路桥梁设计及其抗震优化的研究分析，得到以下结论：

（1）公路桥梁的震害原因主要体现在桥梁上部结构、下部结构和地基基础这几个方面。

（2）桥梁的抗震设计要以安全性、耐久性、经济性为原则，其主要应用原理是延性设计和结构控场。

（3）抗震设计要点有施工场地的合理选择、提高结构强度和延性、加强减震隔震设计、加强墩柱的设计，还要注意避免落梁问题的发生。

（4）抗震设计的优化方案主要有三种：一是加强桥梁的上部结构，使整体性能得到提升。二是桥梁下部结构采用弹性理论来设计，并且科学设计墩柱造型，消减地震带来的能量。三是引进新型的抗震设计方法，提升材料性能。