防震设计措施在公路桥梁设计中的应用

黄飘

（抚州赣东公路设计院有限公司，江西抚州 344000）

0 引言

抗震设计是公路桥梁设计中非常重要的一部分，也是设计难点。综合分析多方面的因素，选择最佳的抗震结构，可以确保桥梁在地震发生之后避免发生严重的损坏，保持结构的完整性和安全性，进而保护民众的生命财产安全。因此，必须加强公路桥梁防震设计，全面保证公路桥梁的安全性。

1 桥梁震害分析

地震是非常严重的自然灾害，会对公路桥梁构成严重的危害。如果公路桥梁在设计的过程中，没有落实抗震设计理念，会影响结构性能，对正常使用也会产生一定的影响。桥梁震害可从如下几个方面进行分析：

其一，发生地震之后，梁式结构受到地震位移作用的影响，桥梁上部活动节点会出现位移。如果梁盖结构宽度设置不合格，梁体结构会发生相互碰撞的情况，甚至会造成落梁现象，导致桥梁结构破坏严重。

其二，对于拱式桥梁结构，地震发生之后，破坏主要存在于腹拱和拱上。通常在地震出现之后，拱圈的拱脚和拱顶位置上会发生裂缝，严重时会出现隆起变形。地震出现后，桥梁地基可能会出现液化现象，一旦出现液化问题，会严重损坏桥梁的基础结构，会发生表面位移的问题，对整个桥梁结构的稳定性造成不利影响。

很多桥梁在设计的过程中，没有考虑到支座结构的抗震性能。如果支座结构抗震性不达标，在地震发生之后，支座会发生较大的位移和变形，上部结构的稳定性也会受到影响，会导致多个桥梁结构损坏，桥梁的下部结构也有可能在地震发生之后出现大量横向、竖向裂缝。这种裂缝会在地震作用下持续发展，最终导致下部结构稳定性不合格，影响整个桥梁的正常运行。如果桥梁工程本身就建设在软土地基的地质条件之下，在地震发生后，地基结构破坏会更为严重，桥梁可能发生整体性移动。因此，在公路桥梁设计中需要采取合理的抗震设计方案[1]。

2 公路桥梁抗震设防标准

公路桥梁在地震作用下容易发生严重损坏，对民众的生命财产安全构成巨大威胁，因此公路桥梁的抗震设计工作必须得到全面落实。抗震设防标准的制订需要综合考虑多个因素，包括地震活动的概率、地震波的强度、桥梁结构的类型和用途等。一般情况下，抗震设防标准主要包括以下几个方面：

其一，地震概率。根据地震活动性和历史地震数据，确定特定地区在一定时间内发生地震的概率。通常以年为单位表示，如百年一遇、五十年一遇等。

其二，地震加速度。根据地震波的强度和频率特性，确定地震时桥梁所受到的最大水平加速度，这个参数能够反映地震对桥梁结构的影响程度，是抗震设计的基础。

其三，地震作用频率。地震波的频率特性会影响桥梁结构的动力响应。设计过程中应考虑结构的固有频率和地震波的频率，确保桥梁在地震作用下不会发生共振现象，从而避免结构损坏。

其四，抗震性能目标。根据桥梁的重要性和用途，确定不同的抗震性能目标，包括破坏限制状态、临界状态和安全限制状态等。这些目标能够反映桥梁在地震下的承载能力和变形能力。

其五，结构材料和构造要求。根据桥梁的类型和使用情况，规定适用的结构材料、构造方式和施工要求，包括钢筋混凝土桥梁的横纵向抗震加固、桥墩柱的延性设计等。

3 桥梁减隔震设计原理与原则

3.1 设计原理

随着时代的发展和进步，桥梁技术水平日益提升，很多先进技术不断应用到实际工作中，在当前的桥梁减隔震设计中，要考虑桥梁的刚度、强度等性能，尤其要重视关键部位的隔震设置，提高桥梁设计水平，保证抗震效果合格，同时要具备较高的经济性和美观性，以更好地满足公路桥梁的运行需要[2]。

3.2 设计原则

当前，桥梁结构形式多样化，设计要求和使用场景也存在一定的差异性，所以在桥梁设计之前，要先明确设计目标，确定设计标准和要求，以确保抗震设计符合桥梁的建设和运营需要。并且，抗震设计不是独立存在的，在设计过程中应将抗震设计和桥梁的整体性设计相结合，以确保结构设计达到理想效果。

同时，为了提高整体设计水平，需要综合分析多个方面的要素，在确保抗震性能达标的情况下降低建设成本。在设计环节，各项工作的顺利开展离不开数据的支持。因此，技术人员需要进入现场进行全面勘察，获取水文地质及周边环境的具体情况，综合考虑各个方面的因素，并分析细节影响，从而提升桥梁的设计水平。此外，在选择和安装相应的隔震装置时，除了需要达到稳定性的要求，还应从适用性和经济性方面进行考量和分析。

4 公路桥梁的防震设计要点

4.1 一般防震设计

4.1.1 地段选择

进行桥梁工程建设之前，应尽量选择地势平坦、地质条件较好、承载性能高的位置进行建设。在公路桥梁设计开始之前，设计人员需要对建设地点进行合理分析，选择最佳的建设位置，并充分了解现场的地质条件以及以往地震活动情况，以避免在不适宜的地段进行建设。同时，应采取必要的防护措施，以免施工过程受到地震灾害的影响。

4.1.2 设计合理的结构方案

公路桥梁设计人员进行路线和控制点选择时，应避开地震烈度高、震害危害大的地段。在考虑现场地形条件变化的同时，确定最佳的设计方案，以确保桥梁的防震水平合格，降低地震对桥梁的危害[3]。

4.1.3 分析桥梁结构防震性强弱

分析桥梁结构的防震性强弱时，需要从地震作用特点到桥梁结构的抗震性能等多个因素进行考虑，以全面评估桥梁的防震能力。

首先，分析地震的特点。地震发生时，地震波的频率、振幅以及方向等因素会直接影响桥梁结构的受力情况。通过对地震记录和频谱的分析，可以了解地震对桥梁的潜在威胁，从而为防震设计提供基础数据。

其次，对桥梁结构的防震性能进行评估和分析。分析桥梁的几何形状、材料性能、结构类型等因素。设计人员可以通过数值模拟和结构力学分析，模拟地震作用下桥梁的受力和变形情况，评估结构的防震性能。在分析过程中，需要重点考虑桥梁结构在地震作用下容易发生破坏的部位和不易发生破坏的部位。同时，桥梁的设计参数和规范要求也是分析防震强弱的重要依据。国家和地区制订的桥梁设计规范通常会包含关于地震荷载、抗震设防水平等方面的规定。设计人员需要将桥梁的设计参数与规范要求进行对比，评估是否满足防震要求。如果发现不足之处，需要通过合理的措施提高桥梁的防震性能。

最后，对于已有的桥梁结构，可以通过现场勘察和监测来评估其防震强弱。通过实际测量和观察，以了解桥梁在地震后的受损情况，进一步验证防震性能分析的准确性，并为后续的维护和加固提供指导。

4.2 桥梁防震设计方法

4.2.1 强度设计

我国最初进行防震设计时主要考虑强度设计，该方法将地震加速度作为桥梁破坏的唯一因素，没有考虑结构本身的动力特性及结构反应所造成的影响。该设计方法存在一定的局限性，在此类设计方案下，如果结构失效，会导致强度、刚度无法达到要求，难以满足防震需要。

4.2.2 延性设计

鉴于桥梁结构容易出现弹塑性破坏，我国目前在桥梁防震设计方面以延性反应谱法为主要方法。这种方法通过对桥梁结构的动力特性进行深入分析，考虑其在地震作用下的弹性和塑性变形情况。具体而言，需要先对各个主要震动应用谱曲线进行详细研究，再根据最大地震反应力进行精确计算[4]。

4.2.3 基于性能的防震设计

根据性能进行桥梁的抗震设计是确保结构在地震发生时能够保持稳定并减少损害的关键，这种设计方法强调结构在地震作用下的实际响应，以性能为导向，更加贴近实际使用情况，可提高防震能力和安全性。

首先，根据性能进行桥梁的防震设计需要明确桥梁的防震性能目标，包括结构在地震作用下的变形、位移、倾覆等性能指标，以及对人员安全和功能保障的要求。设计人员需要充分了解桥梁的用途、重要性和使用环境，从而确定适合的性能目标。

其次，基于性能目标，进行地震荷载的确定和结构分析。通过考虑不同地震作用下的结构响应，包括弯曲、剪切、位移等方面的变化，设计人员可以评估结构的抗震性能。在这个过程中，采用现代的数值分析方法，如有限元分析，可以更加准确地模拟桥梁在地震中的情况。

最后，根据分析结果，进行结构防震设计和优化。设计人员可以通过调整构件尺寸、布置、材料等参数来满足性能目标。在这个过程中，需要考虑结构的整体稳定性、抗震性能的提升以及经济性的平衡，以确保设计方案的可行性和有效性。

4.3 防震设计措施

4.3.1 桥梁基础处理

在公路桥梁建设中，如果地形地质条件较差，需要对不良地质结构采取相应的处理措施，有效恢复基础结构性能，达到桥梁工程的运行标准。如果岩层比较浅，可采用扩大基础的方式。如果地质软硬不均匀或砂层较厚、地下水位较高，为避免出现液化现象，可以增加桥梁结构的长度，设置合适的孔径尺寸，使桥台和桥墩能够避开可能发生滑动、不稳定的地段，可以合理增加桥梁桩基础结构的深度，使其深入内部岩层结构，形成强度较高的基础结构，也可以选择增加基础底面积的方式，提高基础结构的性能，使桥梁具备较高的抗震性，即使发生较大的地震也能保持完整性[5]。

4.3.2 积极采取减隔震设计

在公路桥梁防震设计中，减隔震设计是非常普遍的一种形式。该设计原理是将破坏桥梁的地面运动和结构分离，从而达到隔震效果，避免地震对桥梁结构造成过大的破坏力。

首先，减隔震设计的核心是在桥梁结构与地基之间引入隔震装置，使得桥梁在地震时可以相对独立地运动。常用的隔震装置包括弹簧隔震、摩擦隔震、液体隔震等，这些装置可以减轻地震引起的振动传递，降低结构的震动响应，从而降低结构的破坏风险。

其次，减隔震设计需要根据地震参数、桥梁结构特点以及使用环境等因素合理选择和配置隔震装置。设计人员需要通过数值模拟和分析，确定隔震装置的性能参数，以及其对桥梁结构的影响。同时，需要考虑隔震装置与桥梁的连接方式、调整机制等细节，以确保隔震系统的稳定性和可靠性。此外，需要考虑桥梁与隔震装置之间的相互作用。在地震发生时，隔震装置会对桥梁产生一定的位移和变形，因此需要对桥梁的附属部件、铺装、管线等进行合理布置和设计，以适应隔震系统的运动。

最后，需要对减隔震设计进行性能验证和监测。桥梁建成后，需要进行隔震系统的性能测试，确保其减隔震效果符合设计要求。此外，后期还需要进行定期的隔震系统监测和维护，以保障其长期稳定运行[6]。

4.3.3 桥墩处理

在桥梁工程中进行桥墩防震设计时，应尽量选用等截面的桥墩结构形式，尽量避免选用锥形结构形式，以减小纵波应力，保护结构的完整性。如果桥墩的直径较大，需要承受较大的拉力，可以采用预埋钢筋的方式将桥梁和桥墩结构连接起来，以防止地震时桥面砸坏桥墩。此外，在支座位置设置弹簧等缓冲构件可避免桥面下落，防止桥墩结构损坏。

4.4 注意隔震细节设计

为了保证隔震效果，应从结构部件、隔震装置的选择及施工质量等多个方面入手，加强细节方面的设计。

首先，选择结构部件时，要确保隔震部件达到协调性和连续性的要求，能够满足公路桥梁的正常使用标准。此外，桥梁表面和支架区域之间的缝隙，以及桥墩结构和桥梁的连接位置等，需要优化细节方面的设计，以确保连接性能达到要求，避免影响抗震性能。

其次，在隔震设计环节，应选择最佳的隔震装置，确保隔震装置原材料的隔震效果达到要求，并进行细节方面的处理，以确保结构的安全性和稳固性达标。

最后，在施工方面，要确保各个结构部分的施工都符合设计方案和技术标准，从而提高桥梁工程的抗震水平。

5 结语

综上所述，在公路桥梁设计环节，应以防震设计理念与科学性理念为指导，严格执行国家标准和设计规范，综合考虑现场具体情况，全面落实各项防震设计措施，保证各项参数都符合要求，重视细节方面的设计，进而提升防震设计总体水平，为公路桥梁工程防震效果的提升奠定基础。