城市桥梁结构设计问题分析研究

马豪

摘要：本文围绕城市桥梁结构安全、地震损伤有效控制、降低震灾损失等方面，分析问题、总结方法，开展基于性能的抗震设计方法在城市高架桥梁工程的应用与推广，为今后城市桥梁抗震设计和安全运行设计依据和参考。

关键词：城市化；城市桥梁；结构设计；抗震设计

随着城市化进程的快速推进，城市桥梁在城市交通中的地位愈发重要。因此，城市桥梁结构设计以及抗震设计成为重中之重。城市桥梁地震灾害成因主要有两方面，一是在地震中如果支承连接件不能承受地震对构件造成的相对位移，支承连接件就可能损坏失效。二是地震对桥墩和桥台结构的破坏。早期的抗震设计只以结构不破坏倒塌作为设计目标，但地震对桥梁产生严重结构破坏后，一方面对城市交通产生严重影响，另一方面会造成巨大的经济损失。现代桥梁抗震设防应采用性能设计原则，特别是要加强桥梁结构整体和提高钢筋混凝土桥墩的延性能力。

一、城市桥梁抗震设计现状

近年来，我国城镇建设步伐不断加快，城市道路桥梁设施发展迅速，截止 2013 年年底，全国共有城市道路33.6万km、城市桥梁近6万座。部分城市发生桥梁倒塌、路面塌陷等事故时有发生，从而暴露出城市道路桥梁设施质量水平、养护管理、安全隐患等诸多问题，更有城市桥梁设计寿命与实际使用寿命存在较大差异等不良现象。为了保障城市道路桥梁运行安全以及人民群众利益，作为城市建设的参与者，应在工程实践中不断改进和完善桥梁抗震设计，进行积极有效的抗震构造措施设计，提高桥梁结构的抗震能力和耐久性，保证桥梁结构的使用安全和使用寿命。

二、城市桥梁的抗震设计

目前主要有两种有效途径来提高桥梁的抗震安全性能 ，一是提高桥梁结构本身的抗震能力，譬如提高桥墩的延性、桩基础的强度等。延性抗震设计是通过提高桥梁的弹塑性变形能力，保证结构在地震中在设计的位置上形成塑性铰或者一些构件的破坏，使结构整体具有免于发生倒塌的滞回延性能力，结构在地震中通过反复的变形耗散能量，并且适应地震中的变形以达到抗震的目的。二是采用减隔震方法，利用减隔震装置耗散地震能量、延长结构周期，减小结构地震反应，从而提高结构的抗震安全性。减隔震抗震设计的本质和目的就是将结构与可能引起破坏的地面运动尽可能分离开来。要达到这个目的，可通过延长结构的基本周期，避免地震能量比较集中的区域，从而减低结构的地震力，但通过延长结构周期达到折减地震力会伴随着结构位移的增大。为了控制结构的大变形可通过在结构中引入阻尼装置，以限制结构的位移。为了达到以上的功能，就需要结构具有一定的柔度延长周期，一定的耗能能力降低变形以及一定的刚度和屈服力满足正常使用。

三、城市桥梁构造措施设计

（一）桥梁基础设计。

结合岩土工程勘察报告，对存在液化土层的地基，根据桥梁的抗震设防分类、地基的液化等级（液化土层深度和厚度），采取全部消除或部分消除、减轻液化影响的基础设计形式。当采用长桩基时，应保证桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度；当采用深基础时，基础底面应埋入液化深度以下的稳定土层中（深度≥ 2 m）；当采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面处理深度的1/2且大于等于基础宽度的1/5。通过选择合适的基础埋置深度、调整基础底面积、减少基础偏心、加强基础整体性和刚性、减轻荷载、增强上部结构的整体刚度和均匀对称性等设计措施，提高桥梁结构基础的抗震能力。

（二）桥台抗震措施设计。

对浅基础的小型桥梁，通过加强下部基础支撑梁和河床铺砌，使桥梁结构保持四铰框架结构，以防止墩台在地震发生时滑移。当地基条件允许时，尽量选用整体性强的重力式 U 型或空腹式桥台。当台身高度较高时，宜采用桩柱或肋板埋置式桥台，加强和完善台后防水和排水措施设置。

（三）桥墩抗震措施设计。

采用钢筋混凝土结构，适当地加大桩、柱直径或采用双排的柱式墩和排架柱墩，桩、柱间设置横系梁等连接措施，以便提高墩柱的抗弯延性和抗剪强度。在墩柱塑性铰区域和紧邻承台的桩基适当范围内进行箍筋加密。明确墩柱塑性铰区域范围，不应在塑性铰区域进行纵向钢筋的连接。塑性铰箍筋加密区的长度不应小于墩柱弯曲方向截面宽度的1.0 倍或墩柱上弯矩超过最大弯矩80%的范围。矩形箍筋应设置135弯勾，并伸入核心混凝土之內6ds以上（ds为纵向钢直径）。增加墩柱纵向钢筋配筋率，墩柱纵向钢筋之间的距离≤20cm，至少每隔1根宜用箍筋或拉筋固定。墩柱纵向钢筋的锚固和搭接长度应在现行JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求的基础上增加10ds。

（四）支撑连接构件抗震措施设计。

墩台盖梁顶面设置防止落梁措施，增加纵横向抗震挡块，以限制地震发生时支座过大的位移与滑动。正确选用桥梁支座类型。对重点设防类大型桥梁，必要时可采用抗震或减隔震支座，提高桥梁结构整体抗震设防的能力。设计选取伸缩缝时，应保证其变形能力能够满足预计地震产生的位移，保证伸缩缝支承面具有足够的宽度，并设置限位器和剪力键。

（五）上部结构抗震措施设计。

在上部结构梁（板）底部加焊钢板，采用纵横向约束装置限制上部结构位移。在梁与梁之间和梁与桥台胸墙之间应设置弹性垫块，以缓和地震的冲击力。当采用多跨简支梁结构时，应加强梁（板）之间的纵横向连接，设置桥面连续，或采用先简支后连续的结构构造措施。

四、结语

目前，桥梁抗震设计虽然已经取得一定成果，但仍存在诸多问题，因此，还需要相关专业人员，根据实际经验、定性研究以及理论成果来构建合理的城市桥梁抗震设计方案，不断深化、优化设计，从而保障桥梁结构具有安全可靠的抗震体系。由于技术的不断发展革新，隔震、减震以及耗能技术已经逐渐开始应用到桥梁抗震设计中，并取得了一定的实际效果，积累了初步经验，从发展的角度开看，随着科学技术的不断进步和发展，我们有能力、有必要深入研究桥梁抗震中的减震、隔震和耗能技术，从而最大程度的提高桥梁结构的抗震能力，为现代城市发展做出贡献。

参考文献：

[1]JTJ004-89，公路桥梁抗震设计规范[S].

[2]陶亚芬 城市高架桥梁抗震设计 中国市政工程第二期 2013年4月

[3]范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社，1997.

[3]建筑抗震设计规范.GBJ11-89.Z[M].北京：中国建筑工业出版