桥梁震害及抗震设计方案

王济源，李雪婷

（云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明650041）

1 引言

研究表明，引起桥梁振动并造成破坏的主要因素包含船舶撞击、风、地震等。而相较于风、船撞等其他因素来说，地震在其中扮演着重要的角色，全球范围内大部分的桥梁损坏都是由地震造成的。因此，降低桥梁震害产生的影响是目前首要解决的难题，人们可以结合现有环境的实际情况，充分利用抗震设计方法降低震害对桥梁带来的危害。同时，要加强抗震理论的研究，使其在侧重原有强度的同时向更加注重性能的方向转变，为后续的研究和实践提供参考，具有重要的现实意义。

2 桥梁震害

地震发生的时间及地点具有不可预见性，并且具有持续时间短、能量释放剧烈等特点[1]。通过大量震后的桥梁毁坏实际情况的实际调查及科学研究表明，桥梁地震危害主要包含下列4 个方面：

1）桥梁上部结构。其主要出现在工程施工质量以及地基未达到规定要求的情况中，相对来说发生频率较低。

2）支座。在桥梁抗震减伤的需求方面，对于支座的设计往往未引起设计师的足够重视，在桥梁结构中连接与支档之间构造措施不足的问题时有发生，并且桥梁建设中时常出现支座材料质量不高或型号不准等问题，这极大地影响桥梁抗震的效果，成为目前桥梁抗震的薄弱环节。

3）落梁。落梁是经常发生的一种位移震害。其发生的主要原因较多，包含但不限于桥台的倾斜或倒塌、河岸边际的滑坡、桥墩损坏、相邻桥墩间出现较大的相对位移等。

4）下部结构及其基础。每次桥梁震害发生过后都必须采取相对应的震后检查修复处理措施，但下部结构以及基础出现巨大的破坏时，往往具有不可逆性，目前还没有较为良好的解决办法。桥梁墩台发生破坏主要是由河岸滑坡、沙土液化、地基下沉等因素引起的，且通过改善其抗震能力很难彻底消除其产生的危害。因此，这就要求设计师们从源头入手，通过改变其桥梁位置、桥梁结构形式等方面进行有效的避免。震后桥梁受灾如图1、图2 所示。

图1 桥梁倒塌

图2 桥梁断裂

综上所述，人们需对可能出现的桥梁地震灾害进行有效防范，进一步降低或者避免桥梁震害带来的影响。可以从下列3 个角度入手：

1）从源头出发，进行宏观把控，在桥梁位置以及桥梁结构的选择和决策上进行有效控制，有效预防桥梁震害的发生；

2）对桥梁的抗震设计特别是下部基础的抗震延性设计方面加以重视，降低桥震灾害发生的可能性；

3）注重抗震能力，可通过利用各类构造方法进一步对桥梁整体结构进行优化和完善。

3 桥梁震害发生的主要原因

地震的瞬发性极强，并且伴随着极大的破坏性，是一种能够从多维度造成桥梁破坏的自然灾害[2]。桥梁是一个有机统一的整体，各个部位紧密联结，相互影响。所以，必须从多角度对桥梁震害产生的原因加以分析。研究表明，产生的主要原因有以下几点：

1）桥梁原有的支撑性受到破坏，无法维持良好的稳定性，造成桥梁损坏。例如，桥台发生重心偏移，相邻桥墩发生错位或断裂情况等。

2）地基下沉将会从底部影响桥梁的稳定性，致使整个桥梁结构发生下沉或坍塌，因此，地基基础是完成高质量桥梁结构的首要条件，具有重要作用。

3）地震具有持续性，能够不断对桥台、桥墩等桥梁结构进行相互碰撞，发生不可避免的损害和破坏。

4）桥梁设计的好坏是决定桥梁抗震性能的先决条件，优良的结构设计以及安全有效的减震隔震措施能够有效预防减少桥梁地震灾害。

4 桥梁抗震设计原理

根据地质环境条件以及桥梁自身体系结构的不同，致使桥梁发生损坏的地震作用十分复杂。虽然现今的分析技术得到了不断的提升，理论体系也在不断加强，但由于桥梁抗震设计原理是基于假设的条件下进行计算及分析的，因此，需要注意的是，桥梁的实际情况与理论分析计算结果会产生较大的偏差。下面对现有的几种桥梁抗震设计原理进行总结与分析[3]。

4.1 静力法

静力法是应用较为常见的理论假设，其假定当地震发生时，不对其他相关因素进行考量，提出桥梁各个部件之间的振动与地震所产生的振动完全相同，把桥梁结构视为刚体，将动力学问题转变为静力学问题。但在实际情况中，除非桥梁的刚性程度达到极值，否则，二者的振动是不可能完全相同的。因此，这种方法仅适合于刚度值极大的桥梁工程。

4.2 反应谱法

反应谱法是一种基于桥梁自身结构以及动力学分析的提高抗震性能的方法，在公路桥梁建设中使用十分普遍。其主要是通过不断试验来得出一系列的有关振动数据，例如，主振型以及固有频率等。由于不同部件的主振动反应谱曲线不同，可以对其振动记录进行比较，确定其最高强度的数据，从而对下一步地震承受级别进行有效评估。

4.3 动态时程分析法

动态时程分析法是一种基于有限元分析法的利用计算机进行分析的抗震设计分析方法，其成型较早，在1960 年第一次得到使用。主要通过多角度构建大型桥梁建设工程不同节点的有限元动力分析模型，通过计算假定地震发生时加速度出现的时程，得出数据模型并利用计算机进行高效计算，达到精确求解的目的。但其对于设备以及技术的要求较高，因此，需要设计人员进一步优化和改善。

5 桥梁抗震设计

5.1 地震区桥位和桥型选择

桥梁位置以及桥型的选择十分重要，这可有效降低由于地震带来的桥梁破坏。在选择时，应当注意避免土层和地层分布十分不均匀的地段，并且需要在桥型选择上注意桥梁的抗震性能以及整体结构等。

5.2 设计烈度

进行抗震设计的基本条件是桥梁的抗震设防烈度达到了6 度及其以上。

5.3 设计方法

对于一般的桥梁工程建设，需严格依据规范要求进行抗震结构的设计，从而保障桥梁结构能够安全抗震。在面对一些性质重要的或者需要进行大跨度的桥梁结构建设时，要根据其对应的桥梁结构进行动力学分析，以此来降低桥梁震害带来的影响。

通过对以前发生强震地区的强震记录进行分析，研究其加速度反应谱可以得出如下结论：在地震反应谱中可以看到，当阻尼为0 时，峰点位置十分突出，并且反应谱值达到最大，但当阻尼（ζ=0.02）较小时，反应谱的峰值则变得平滑许多。加速度反应谱随周期时间表现出不一样的特性，当周期较短时，加速度反应谱变化较大；当周期加长时，跳动幅度则明显减小。

通过以上描述，人们对加速度反应（设计反应）谱进行了编程，并将其应用在抗震设计当中。通过不断的优化与完善，目前已将其写入JTG/T B02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》[4]当中，在GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）中，通常将加速度反应谱称之为地震影响系数α曲线。可以在重力加速度g作为单位的条件下，在单质点体系中用数值表达最大绝对加速度值。

通过反应谱理论进行地震分析时，可以利用多角度的体系线性动力进行地震反应分析。虽然反应谱法在地震强度以及结构动力分析的方向提供较好的解决措施与方法，但局限性也十分明显，因为这是在基于一定的假设条件下完成的，无法对地震本身所具有的复杂性做出更加详细的解释与说明。主要的表现如下：反应谱只存在于弹性范围内，并不适用于非弹性范围的结构分析；地震具有持续性，而反应谱只能对地震发生时加速度最强的部分做出解释，具有片面性；反应谱具有单一性，只能对单个阻尼进行分析，无法进行多阻尼分析。

6 结语

综上所述，桥梁是连接抗震救灾现场的重要通道，因而对于桥梁的抗震设计决不能掉以轻心。在满足国家规范标准的前提下高质量、高标准地完成桥梁建设。现今，虽然地震具有不可预见性，但人们必须时刻保持警醒，提前做好安全防范措施。紧密结合桥梁施工的具体环境以及抗震级别要求，多重视桥梁结构、各个部件连接方式以及桥墩主梁等的有机结合和细节设计，进一步对桥梁的设计质量进行提升和完善。