探讨桥梁工程抗震设计问题

周永生,安欣

摘要 当下的热点研究问题是桥梁工程的抗震能力研究。桥梁在交通运输方面有着特殊的意义，它是连接江河海湖上，让行人车辆能够顺利通行的重要建筑。近年来的地震让国内外都受到不少损失，并且公路和桥梁都遭受了破损，不同程度的震撼使重建家园的进度受到影响，它造成了道路中断，造成抗震救灾和运输工作的很大阻碍。因此，桥梁工程也被称为生命线工程，如今桥梁抗震问题也开始引起越来越多的关注。本文在分析桥梁结构地震破坏的主要形式基础上，阐述了桥梁抗震设计原则，最后对于桥梁抗震设计方法进行分析，重点探讨了桥梁抗震概念设计原创、介绍了抗震设计的参数等内容。

关键词 桥梁工程；抗震破坏；抗震设计

中图分类号U442 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）43-0017-02

0 引言

地震是一种毁灭性很强的自然灾害，具有突发性，虽然它持续的时间只有短短的几十秒，但会造成非常巨大的损失，历来是严重危害人类的大灾害。与其他自然灾害不能相比的是，它带来的损失不仅仅是财产，还有无数生命。在最近的20年里，全球发生了许多次地震，震级大，极具破坏性，尤其是发生在城市中，造成的生命财产损失是惨重的。每个城市的都有个共同特点是：每个桥梁工程都受到了不同程度的损坏，切断了地震区域的交通生命线，给救灾的行动也带来了很大的困难，加重了灾区的次生灾害。而对交通线的依赖性也越来越强。交通线被地震破坏，直接导致生命财产和间接造成经济损失的程度变大。地震里的桥梁工程受到破坏的后果影响着国家对其的关注性。因此，桥梁工程的抗震研究也彰显了重要性。

1 桥梁结构地震破坏的主要形式

滑坡、地表断裂、软土震陷、沙土液化等都是地震所造成的主要地表破坏现象。软弱粘性土的土坡，有着软弱夹层不稳定的边坡，层里倾斜且会在地震时受到附加水平力或土层的强度降低发生滑动等意外。导致了在这些附近或边坡修筑的建筑物损坏。在山区或丘陵地区，由地震引起的滑坡是震害特点。滑坡大都出现在人工边坡开挖面还有平原地区的河岸不稳定地区。在地震作用下，饱和沙土的结构遭到破坏，土地的颗粒发生了相对位移，体积也收缩了，孔隙水压力也暂时明显增大，当沙土颗粒形同呈悬浮状态的“液体”时，就是孔隙水的压力上升到了与外部压力相等的时候，土体的抗剪强度就丧失了；而另一方面，“喷水冒沙”现象的形成，是高压力孔隙水将沙土颗粒同时带了出来，喷出了地面。在强震作用下，土体结构的强度降低，孔隙水从边界因为压力增大而排出，软黏土因为挤压的状况而产生的不均匀沉陷，土体结构也被扰动。而会导致桥梁的结构尤其是超静定结构的破坏甚至倒塌的原因，就是不均匀沉陷所引起的内力重分布。而在桥梁的组成部位上，就是桥梁震害发生破坏的重点部位。桥梁通常都是由支撑连接构件、上部结构、墩台等结构和基础组成的。

2 桥梁抗震设计原则

1）场地的选择。第一步我们要依据地震危险性的分析来判断选择比较安全的地方，然后我们需要考虑这个地区内部的场地选择，例如，选择较为坚硬的地方，以免地震的时候因为地基松软导致抗震失效；

2）体系整体性和规则性的重视。不管是在平面上还是在立面上，结果的布置均需要使用科学的几何尺寸，刚度以及质量均匀，规则对策，从而来避免突然的变化。桥梁的上部结构应尽可能是连续的，从而保证桥梁良好的整体性。较好的整体性是结构发挥空间作用的基本条件，同时它也可以有效地防止结构构件及非结构构件在地震时被震散掉落；

3）增强结构与构件的延性和强度。桥梁的抗震设计主要是控制从地基传入到结构内部的能量为最小值。同时提高结构自身的刚强度以及延性。由于桥梁地震破坏的原因主要是桥梁结构的震动。因此，在不改变桥梁的刚度以及重量的前提条件下，提高总体的延性以及强度是桥梁抗震的两个比较有效的途径。刚度能够有效的控制结构变形，延性以及强度是两个抗震的关键指标。只重视强度而忽视延性绝对不是良好的抗震设计，因为地震动可造成结构和构件周期反复变形，使其刚度与强度逐渐退化；

4）严格遵循能力设计原则。在我国以前的建筑抗震设计中，普遍采用“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想。强度安全度差异是能力设计思想特别强调的，即在不同破坏模式（延性破坏和脆性破坏模式）和不同构件（能力保护构件——不适宜发生非弹性变形构件的统称和延性构件）之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异，确保在大地震下，结构不发生脆性的破坏模式，而是以延性形式反应；

5）建立多道抗震防线。在强地震过程中，应该保证一道防线破坏后尚有第二道防线可以支撑结构，从而避免结构倒塌。因此要尽量使桥梁成为具有多道抵抗地震侧向力的体系。从这点上看，超静定结构要明显优于同种类型的静定结构。

3 抗震设计的参数

桥梁抗震设计的主要参数有3个：桥梁结构的强度、刚度和延性。

3.1 强度

结构只有具有足够的强度，以抵抗结构在其弹性地震反应时所产生的内力，才能保证桥梁结构在预期的地震作用下免遭破坏。对于发生概率很低的地震，如部规规定的设防地震（475 年一遇的地震），结构需要具有相当高的强度才能抵抗其激起的弹性地震力。

3.2 刚度

结构刚度把荷载或作用力与结构的变形联系起来，其估计值将直接影响到对结构地震反应位移的预期值。因此工程师必须估算出结构的实际刚度，以正确可靠地计算结构在地震侧向力作用下的变形，进而控制其变形。过去往往人为的低估了结构的地震反应位移，简单的用全截面刚度来代替开裂截面刚度，结果导致地震中落梁震害的严重后果频出。

3.3 延性

通常用延性这个术语来描述结构、构件或材料用于抵抗其在非弹性反应范围内的变形的能力。延性是位于地震区的桥梁结构所必须具备的一个无比重要的特性。由于地震动对结构的作用是以运动方式、而非力的方式出现，结构能够依靠其延性，在大地震迫使桥梁产生大变形时（这些变形可能远远超出了弹性范围），仍能维持其大部分初始强度，从而免于倒塌。

4 桥梁抗震设计应注意的事项及建议

4.1 桥梁抗震设计注意事项

1）如果刚度的变化太大，刚性大的桥墩在地震中容易产生破坏，应尽可能让沿纵横、纵桥向的桥墩刚度一致；

2）曲线桥会使结构地震的反应复杂化，将桥轴线尽量设计成直线；斜交会引起增大位移的转动响应，使桥墩和桥台尽可能与轴线垂直；

3）为了观察与修复的方便，应将塑性铰设计在墩柱上，而不应在主梁、盖梁、地下或水中的桩顶处；

4）我们在进行选材以及确定结构的形式的时候应该遵照以下的几个基本原则：变形能力强，质量轻强度高，结构的整体性好，刚度和强度衰减小。单从抗震性能优劣对材料进行划分依次为：钢结构，钢矾组合结构，现浇钢筋矾，预制钢筋矾，预应力矾，砌体；

5）增加结构延性，防止脆性与失稳破坏。砖、石、素砼的开裂和钢筋砼的剪切破坏是常见的脆性破坏；斜撑和柱的失稳以及柱中纵向钢筋在箍筋不足时的压屈是常见的失稳破坏。

4.2 桥梁抗震设计的建议

1）地震有着不确定性的特点，因此会导致计算桥梁抗震结构的失真。地震运动是因为震源通过传播介质体再通过场地地质体这样一系列的变化运动而形成的综合变化，所以，在计算的过程中存在很多的不确定性模糊事件；

2）我们应该尽可能的使用连续的桥跨来替代简支梁，减少伸缩缝的数量，降低在这个地方落梁的可能性。同时也增加桥上驾车的舒适度；

3）为防止主梁发生位移落梁，应加强桥面的连续构造以提供足够的宽度；另外还应适当地拓宽墩俞顶盖梁及支座，并增设隔挡装置以防止位移；

4）应该选取比较好的，较为稳定的河段架设桥梁，如果没有办法，必须在稳定性比较差的河段进行架设，那么应该尽量采用桥梁的中心与河流成正交状态，尽可能的避免河槽和河滩分界的地方发生突变；

5）软土的液化会加大地震反应，因此桥梁的基础应尽可能地建在可靠的地基上；

6）大跨度意味着墩柱承受的轴向力过大，从而降低墩柱的延性能力，因此桥跨宜短而不宜太长；

7）为了便于给墩柱提供足够的约束，墩柱设计中应尽可能地使用螺旋形箍筋。另外为了增强连接点的延性墩身及基础的纵向钢筋伸入盖梁和承台应有一定的锚固长；

8）较高的排架桥墩，更易发生墩柱的横向位移和设计弯矩，因此对较高的排架桥墩，墩间应增设横系梁；

9）采用新技术、新材料增强桥梁的减隔震，实现桥梁的抗震设计。比如减隔震支座，即铅芯橡胶支座、双曲面(球面)支座、阻尼器等。

5 结论

桥梁工程的抗震设计需要每个研究者的认真对待，它的设计体现在各个阶段，是一项重要的系统工程。在可行性研究阶段，应该将抗震概念的设计进行强化，选择桥型和桥位的时候要合理一点；初步的设计阶段，将抗震体系的设计强化，把合理的抗震验算准则和设防标准确定下来，将结构的总体进行分析，在设计的过程中，我们要重视抗震结构的每一个细节。

参考文献

[1]范立础，李建中，王军杰.高架桥梁抗震设计[M].人民交通出版社，2009．

[2]强士中，周璞.桥梁工程[M].西南交通大学出版社，2008.

[3]马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].人民交通出版社，2007.

[4]范立础.桥梁抗震[M].人民交通出版社，2007．

[5]王松涛，曹资.现代抗震设防设计方法[M].中国建筑工业出版社，2008.