城市桥梁抗震设计中的关键问题分析

李朋

摘要：随着城市交通的发展，城市桥梁的数量也逐渐增加，由于抗震设计的不足，城市桥梁在地震发生时会造成不同程度的破坏，严重时甚至造成桥梁的坍塌，严重威胁市民的人身和财产安全。因此，对于城市桥梁抗震设计中问题的分析，是具有重要意义的。

关键词：城市桥梁；抗震设计

随着市政基础设施建设力度加大，城市桥梁在我国发展迅速，主要形式为城市立交桥和城市高架桥。但是，城市桥梁由于抗震设计的不足等因素，桥梁在地震中的抗破坏能力有限。一旦发生地震，将会受到严重的破坏，造成严重的经济损失，甚至严重造成人员伤亡。2008年的汶川地震，仅绵竹市内桥梁中有6.82%的完全毁坏，26.14%的桥梁严重破坏，27.27%的桥梁中等破坏，31.82%的桥梁轻微破坏，仅有7.95%的桥梁基本完好。由此可见，如果城市桥梁设计中存在问题，将会在地震中不堪一击。

一、城市桥梁地震受害的类型

随着城市桥梁在地震中各个部分受到的破坏可能是相互独立的，也可能是相互联系的。这些破坏往往难以修复，会造成严重的经济损失，甚至会给人身安全带来威胁。

（一）桥台的震害

在地震发生时，桥台的震害较为常见。除了桩基被剪切破坏，地基丧失承载力，如沙土液化等引起的桥台滑移，台身与上部结构发生碰撞引起破坏，以及桥台向后倾斜。2008年的汶川地震中的桥台震害，就包括台身结构破坏和护坡垮塌等。

（二）桥梁墩柱的震害

由于大量震害资料表明，桥梁下部结构中普遍采用的钢筋混凝土桥墩，其破坏形式主要为弯曲破坏和剪切破坏。弯曲破坏是延性的，表現多为开裂，混凝土剥落压溃、钢筋裸露和弯曲等，伴随弯曲破坏还会发生很大的塑性变形；桥墩剪切破坏则是脆性的，伴随着强度和刚度的急剧下降，往往会造成墩柱以上及下部结构的倒塌。所以震区桥墩的设计原则为“强剪弱弯”，以保证桥梁在受到地震作用时，先反生弯曲破坏，而不发生剪切破坏。

（三）支座受到地震的破坏

在地震发生时，上部结构的地震惯性力通过支座传到下部结构，当传递荷载超过支座的设计强度时，支座就会被剪坏。当支座变位超过活动支座容许值时，桥梁倾斜或支座落位，甚至引发落梁。

（四）主梁受到地震的破坏

主梁在地震中的震害主要为主梁的纵向移位、横向移位及扭转移位，如果主梁的移位超出了墩、台的支承面，则会发生落梁震害；另外，主梁还可能发生碰撞震害。

城市桥梁抗震设计必须综合考虑各个部分的受害特点，并做出相应的有效措施，从而尽量将地震造成的损失降到最小。

二、城市桥梁抗震设计原则

根据桥梁抗震规范采用的是三水准抗震设防目标和两阶段设计。简要地说就是要求桥梁抗震做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”。三水准设计的要求是指在第一水准时，结构处于弹性工作阶段，因此可以采用线弹性动力理论进行桥梁结构的地震反应分析，以满足强度要求。在第二水准烈度，即设防基本烈度时，桥梁可能出现一定程度的破坏，但经过修理后仍可继续使用。从结构受力角度来讲，桥梁结构已经进入非弹性阶段，但结构的弹塑性变形被控制在一定的限度内。在第三水准烈度，桥梁结构可以有较大的非弹性变形，但仍应控制在规定范围内。两阶段设计，第一阶段采用第一水准的地震烈度及相关地震动参数，按弹性理论计算地震作用效应与其他荷载组合，对结构进行承载力和弹性变形验算；第二阶段设计取第三水准的地震动参数进行桥梁结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算，同时采用相应的构造措施。

针对桥梁震害及抗震设计中的问题，要保证桥梁在地震中达到抗震设计的预期，还应注意以下问题：

（一）选择合理的桥位

桥梁工程抗震设防的主要对象是构造地震，而构造地震与地质构造密切相关。在发震断层及其相邻地段，地震烈度高，对桥梁的破坏性极大，桥位选择应尽可能避开。同时还应尽量避开软弱粘性土层、可液化土层和地层严重不均匀的地段以及滑坡、坍塌等不良地质地段，以减轻地震发生时的次生震害。如必须设置在可液化或松软土层的河岸地段时，桥长应适当增长，将桥台置于稳定的河岸上，而桥墩基础要加强。如必须在软土地基上选用简支梁或悬臂梁体系（带有挂孔）时，应在构造上加强防止落梁的措施，墩台结构应选用整体性好的结构形式，基础要埋入稳定土层内。

（二）桥梁整体稳定

在城市桥梁的抗震设计中，要着重保持桥梁的整体性。因为具有整体性的桥梁，在地震时以一个整体的形式接受外界驱动力的作用，可以以最大质量接受外界驱动力发生受迫振动，此时受迫振动的振幅是最小的。从桥梁的几何线形来讲，桥梁最好是直线桥，且各墩高差不大；从桥梁结构布局方面来说，上部结构最好是连续小跨结构，并在多个桥墩上布置弹性支座，各桥墩的刚度和强度相差不大。也就是说，具有整体性的桥梁抵抗地震冲击的能力是最强。

（三）提高桥梁延性

城市桥梁的抗震设计中，另一个关键的性能就是延性。桥梁延性指的是桥梁抗力始终没有明显下降的情况下桥梁结构所能经受的反复弹塑性变形循环的能力。由于地震瞬间爆发的能量非常大，很多城市桥梁结构的强度都很难抵挡地震波的冲击，这个时候，良好的延性将使桥梁有较大可能免受地震的破坏。因为尽管地震的影响使桥梁发生结构的变化，桥体发生形变会轻微的位移，但是良好的延性能够保持桥梁完整性，使其发生形变而不发生破坏，大大增强了城市桥梁的抗震能力。

三、城市桥梁抗震设计的方法

（一）选取合理的桥梁方案

桥梁的方案阶段，就应选取抗震性能较好、整体性强的结构体系，如连续梁、无铰拱等。如中国赵州桥，系石拱桥，地处多地震区，建桥1300多年以来，经多次强烈地震，犹屹立未毁。

（二）建立合理的抗震模型

通常在一般情况下应建立桥梁结构的空间动力计算模型进行抗震分析，计算模型应反应实际桥梁结构的动力特性。计算模型应能正确反应桥梁上部结构、下部结构、支座和地基的刚度、质量分布及阻尼特性。通常主梁和墩柱采用空间杆系单元模拟，单元质量采用集中质量代表。

（三）重视桥梁抗震构造措施

桥梁设计的方案阶段，就应选取对抗震有利的桥梁形式。上部结构连续的桥梁，各桥墩高度最好相近。若因地形限制导致相邻墩高相差较大，设计可以采取不同的桥墩断面构造方式来调整桥墩的抗推刚度。加强结构塑性铰区域、结点区域等薄弱部位的构造措施，以保证结构的强度和延性。对于抗震设防烈度为7度以上的桥梁，应严格遵守相关规范上的抗震设防措施，确保桥梁抗震构造安全。

（四）灵活运用抗震规范

《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2011）中规定，对于城市快速路上的桥梁，应进行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震验算；对于城市主干道上的桥梁，则只进行E1地震作用下的抗震分析和抗震验算。规范条文如此规定的出发点，可能是基于桥梁位置重要性。但是，设计人员再作桥梁抗震设计时，不应拘泥于规范条文，而应结合桥梁所在的道路等级和桥梁结构本身来进行。如果桥梁位于城市主干道，但桥梁跨度较大或结构较复杂，也应同时进行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震验算。这样，既满足了抗震规范，又能使桥梁的抗震设计更趋合理。

四、结束语

本文总结对城市桥梁受地震发生破坏的类型和特性，并针对这些类型特定进行分析和总结。并结合新的城市桥梁抗震规范，而提出了城市桥梁抗震设计的一些原则和方法。

参考文献：

[1]CJJ 166-2011 城市桥梁抗震设计规范.

[2]JTG B02-2013 公路工程抗震规范.

[3]叶爱君 管仲国 桥梁抗震.

[4]范立础 高架桥梁抗震设计