关于桥梁抗震设计的探讨

黄继旺 李辉

（1、湖北金恒通交通建设咨询监理公司，湖北 襄阳 441000;2、襄樊市交通规划设计院，湖北 襄阳 441000）

一.引言

桥梁工程在现代交通网络中起着重要的枢纽作用，但桥梁容易受到地震等自然灾害的破坏作用，从而造成人员伤亡和财产损失，并使交通中断。通过大量的桥梁震害研究发现，除液化、断层等地基失效引起的破坏以外，地震对混凝土桥梁最常见的破坏形式有弯曲破坏、剪切破坏、落梁破坏和支座损伤等。下面笔者针对这几种破坏形式来简要探讨桥梁的抗震设计要点。

二.桥梁抗震设计原则

根据历次的桥梁震害教训和当前公认的理论认识，学界普遍认为桥梁抗震设计应尽可能遵循以下这些基本原则，以使桥梁结构在强度、刚度和延性等指标上取得最佳的抗震效果。

1.场地选择

桥梁选址应避免地震时可能发生地基失效的松软场地，而应在坚硬场地上建设桥梁。基岩、坚实的碎石类地基、不稳定的坡地都是危险的场地。当不得已而选在软弱地基上，设计时要提高基础整体性，尽可能地减小地震造成的不均匀变形；在地基稳定的条件下，还应考虑地基和结构的振动特性以防产生共振。

2.体系的整体性和规则性

桥梁的整体性要好，以防止结构构件在地震时被震散掉落，上部结构应尽可能是连续的，这样有助于较好地发挥空间作用。桥梁在里面和平面结构的布置上，应尽量使质量、刚度和几何尺寸对称、均匀，不得突然变化。

3.高结构和构件的强度和延性

地震动引起的结构振动是地震导致桥梁结构破坏的主要原因，所以从地基传入结构的振动能量越小越好，因而在设计中尽量使结构具有适当的强度、刚度和延性，延性和强度是决定结构抗震能力的两个重要参数，而刚度的选择有助于控制结构变形。

4.能力设计原则

以往的桥梁设计思想认为结构各构件都具有近似相等的安全度较为理想，即不让结构中存在薄弱点。但实际上各构件的重要程度是有差别的，所以抗震结构中不应采取等安全度设计思想。

能力设计思想强调强度安全度差异，也就是在不同构件与不同破坏模式间确立不同的强度安全度，以确保结构在大地震下以延性形式反应，避免出现脆性破坏模式。这种思想与建筑抗震设计中的"强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件"的原理是相同的。

5.多道抗震防线

设计中应尽可能地使桥梁体系具有多道抵抗地震侧向力的防线，使得地震过程中，一道防线破坏后仍有其他防线可支撑结构，防止倒塌。

三.桥梁抗震概念设计

地震作用具有很强的随机性，它是一种不规则的循环往复荷载，并且桥梁结构的地震破坏机理十分复杂，人们对其认识还不够充分，所以目前还难以进行精确的抗震设计。因而人们提出了一种"概念设计"的思想，它是相对"数值设计"而言的，即是根据地震灾害和工程经验等获得的设计思想和原则，来解决结构总体方案和细部构造，实现抗震设计。

桥梁抗震概念设计阶段的主要任务是选择结构体系，理想的桥梁抗震结构体系布置为：（1）从结构布局上，桥梁保持小跨径，以使桥墩承受的轴压水平较低而获得更佳的延性；基础是建造在坚硬的场地上；上部结构是连续的，伸缩缝尽可能少，以免出现落梁；各桥墩的强度和刚度在各个方向都相同；在多个桥墩上布置弹性支座，以便分散地震力。（2）从几何线形上，直桥最好，并且各墩高度相差不宜过大，否则容易造成地震力的分配不均匀，不利于整体结构的抗震。

在实际工程中，由于各种限制条件，如桥址地址条件、线路走向以及功能要求等，导致很难取得理想的抗震体系，但仍应尽量考虑以上抗震概念设计的原则。

四.桥梁延性抗震设计

目前大多数多地震国家的桥梁抗震设计规范已经从传统的强度理论向延性抗震理论过渡，这种设计思想主要借助结构的选定部位的塑性变形来消耗地震能量，减小地震反应，从而实现抵抗地震作用。

延性抗震设计首先须选定潜在塑性铰区的位置，该位置应是易于发现和易于修复的结构部位，并且要应能使结构获得最优的耗能。通常桥梁结构主要是由下部结构承受整体重量，并且大量的震害调查也表明，桥梁下部结构常因遭受巨大的水平地震惯性力作用而破坏，上部结构很少会因地震动作用而破坏。所以塑性铰位置应在桥梁的下部结构的桥墩上。

根据延性性能的发挥程度，延性结构可分为完全延性结构、有限延性结构和完全弹性结构三种，须根据实际情况来选择结构的延性类型。一般桥梁的钢筋混凝土桥墩设计成延性构件，为了保证其延性，可在预期塑性铰区截面配置足够横向约束箍筋，以约束核心混凝土而提高其的极限压应变，从而提供设计所需的延性。还要对盖梁、支座和基础等构件采取相应的措施，使它们与延性构件之间确立适当的强度等级差异，保证始终不出现非弹性变形。

五.多阶段设计方法

随着对地震产生机理、破坏机理、构件能力研究认识的加深，桥梁的设防水准也由原来的单一设防水准一阶段设计向着多水准设防发展。

1.单水准设防一阶段设计

即设防标准主要以桥梁结构在大地震作用下不发生倒塌为设计目标，以保证生命安全，避免大的财产损失。

2.双水准设防、三水准设防两阶段设计

即"小震不坏、中震可修、大震不倒"的分类设防的抗震设计思想。一些地方中、小地震发生的可能性大，频率高，可使结构处于弹性范围内工作，使得结构不致因累积损伤而影响其使用性能。而大地震在结构使用寿命内发生概率小，要想使桥梁结构弹性地抵抗它，不仅会增加造价，而且对于大地震的防范效果也不大，所以允许结构产生塑性变形和有限度的损伤。

3.三水准设防三阶段设计

在房屋建筑结构的抗震设计中，一般三水准设防两阶段设计就能使结构在小震下保持弹性、大地震下不倒塌。对于重要桥梁，由于两阶段设计未要求对中震设防水准性能校核，这可能导致在发生该水准地震作用时，桥梁并未倒塌，但支座、伸缩装置等连接装置发生损伤严重，使得结构也不能正常使用。所以有学者提出采用三水准设防三阶段设计的方法，分别校核各自的设计指标，确保设计满足要求。

六.减隔震结构的应用

减隔震技术是近几十年来发展起来的一种先进的、有效的抗震手段。减震是利用特制减震构件或装置，在地震时率先进入入塑性区，消耗进入结构体系的能量；而隔震则是设法阻止地震能量进入主体结构。

桥梁减隔震系统包含三部分：柔性支撑、阻尼装置和必要的构造措施。

1.柔性支撑装置

橡胶支座是工程上应用最广、实用性最广的柔性支撑，此外，还有滚轴、滑板、缆索悬吊、柔性套管桩、摆动等其他一些柔性装置。

2.阻尼装置

滞回阻尼是一种最有效的提供耗能的方式，即通过材料的塑性变形耗能。摩擦耗能也是一种阻尼耗能方式，但摩擦系数不易控制，并且其没有自复位能力，震后易存在较大的残余变形。另外还有液压摩擦阻尼和粘滞阻尼等。

3.必要的刚度要求和构造措施

减隔震装置要发挥作用，支撑以上结构，就必定要有足够的自由活动空间，若伸缩缝满足不了其需要，则须采取如"碰即脱"桥台顶块等特殊的构造措施。此外，在地震作用下，结构采用减隔震技术后一般会产生较大的位移，并且难以准确估计此位移值，所以通常需要设置专门的防落梁装置来防止地震下发生落梁和碰撞震害。

结语

除了以上几种抗震设计思路和方法之外，还可通过配筋构造和采取防止落梁的措施来提高桥梁的抗震性能。总之，桥梁的抗震设计方法和措施很多，我们桥梁工程人员应根据具体的桥梁性质和当地的地质情况来选用合适的抗震设计方法，在经济和技术水平允许的条件下提高桥梁的抗震性能。

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