抗震理念在桥梁设计中的应用

杜世森

摘 要：随着桥梁工程建设规模的扩大，抗震设计面临全新的要求。不仅需要充分应用抗震理念，而且需要采取合适的技术，提高桥梁结构的抗震能力。基于此，分析桥梁工程发生震害的原因、抗震设计理念，并以某桥梁工程为例，对桥梁抗震理念在桥梁设计中的应用进行详细阐述，希望能为相关工程提供参考。

关键词：路桥工程;抗震理念;地震

中图分類号：U442.55 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）29-0098-03

Application of Seismic Analysis Concept in Bridge Design

DU Shisen

（Xinyang Xintong Highway Survey and Design Co.， Ltd.， Xinyang Henan 464000）

Abstract： With the expansion of bridge construction scale， seismic design is facing new requirements. It is not only necessary to make full use of seismic concept， but also to adopt appropriate technology to improve the seismic capacity of bridge structure. Based on this， this paper first analyzes the causes of earthquake damage and seismic design concept of bridge engineering， and takes a bridge engineering as an example to elaborate the application of bridge seismic concept in bridge design， hoping to provide reference for related projects.

Keywords： road and bridge engineering;seismic concept;earthquake

地震是一种较为常见的自然灾害。高级别地震不仅会导致人员伤亡，还会对地面建筑物造成严重破坏。无论是道路还是桥梁，受地震的影响，均会发生结构断裂、塌陷的情况，对交通运行造成严重影响，同时阻碍社会经济的发展。所以，提高道路桥梁工程的抗震能力十分必要。设计阶段需要充分利用抗震理念，有效提升工程抗震性能，为人们的安全出行提供保障。

1 桥梁工程震害及原因

1.1 基础破坏

受地震的影响，桥梁易出现不同程度的损害，主要包括基础变形、位移、沉降、扭曲及开裂等。地震中多数倒塌与基础失效、砂土液化关系密切。砂土液化主要指饱和粉细砂不具备原有的抗剪能力，处于流动的状态[1]。基础破坏主要包括剪切破坏和弯曲破坏。如果桥梁截面剪切弯矩超过自身强度，截面便会出现裂缝。在地震荷载的作用下，桥梁结构易发生变形，变形严重时将导致桥梁混凝土脱落、内部混凝土崩裂及钢筋屈服等，造成桥梁结构承载能力下降，引发弯曲破坏。如果地基承载力下降，上部土层的桥墩也会发生程度不一的倾斜、滑移等。如果地震的强度较大，土体结构也会发生变化，强度下降，引发不均匀沉降。如果内力重新分布，将会导致结构塌陷，不但会阻塞河流，而且会导致水位上升。此外，桩柱埋入深度不足也会导致桥墩受损[2]。

1.2 墩柱破坏

墩柱抗弯破坏的主要原因是延性不足，横向约束箍筋配置不足，间距过大，搭接失效，纵筋过早切断。墩柱剪切破坏的主要原因是抗剪强度不足，横向箍筋配置不够。

1.3 支座破坏

在桥梁抗震减伤的需求方面，支座的设计未得到设计人员的充分重视。在桥梁结构中，连接与支挡之间的构造措施不足。同时，桥梁建设过程中多存在支架材料质量不佳、型号不符等问题，对抗震效果造成了严重影响。如果支座失效，导致梁体间或梁、墩台间位移较大，将引发伸缩缝、挡块破坏甚至落梁。

2 路桥抗震设计理念

我国路桥抗震设计主要是在日本、美国等发达国家设计规范的基础上进行适当延伸而形成的。从目前我国的具体情况出发，考虑到公路桥梁的重要性和在抗震救灾中的作用，本着确保重点和节约投资的原则，对不同桥梁要求不同的抗震安全度。具体来讲，将公路桥梁分为A、B、C、D这4个抗震设防类别，并按抗震设防类别确定不同的设防标准和设防目标。《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01-2020）规定，E1地震作用下，各类桥梁要在弹性范围工作，结构强度和刚度基本保持不变。E2地震作用下，A类桥梁局部可发生开裂，裂缝宽度也可超过容许值，但混凝土保护层应保持完好，因为地震过程的持续时间比较短，地震后，在结构的自重作用下，地震过程中开展的裂缝一般可以闭合，不影响使用，而结构整体反应还在弹性范围。B类、C类桥梁在E2地震作用下要求不倒塌，且结构强度不能出现大幅度降低，钢筋混凝土桥梁墩柱抗弯承载能力降低幅度不应超过20%。E2地震作用下采用延性抗震设计，并引入能力保护设计原则，确保结构具有足够的延性变形能力，即结构的延性变形能力应大于延性变形需求并有适当的安全储备。通过能力保护设计，确保塑性铰只在选定的位置出现，并且不出现剪切破坏等破坏模式。

由于地震发生的随机性，它对桥梁结构的作用也具有随机性。按照地震烈度及规范规定计算地震作用、进行结构强度验算，并不能保证结构绝对安全。如果结构方案不合理，构造措施不当，结构抗震性能是无法达成计算所假定的效果的。这就需要在设计过程中寻找最优的抗震设计方案，以达到抗震设防目标。

第一，选择合适的桥位和桥型。在场地地质条件不连续、地震时地基可能产生较大相对位移的地段，不宜修建拱桥。在液化场地或软弱土层场地，桥梁基础应穿过液化土层或软土层。

第二，桥梁应尽量采用对称的结构形式和均匀的布置方案。

第三，梁式桥一联内各桥墩的刚度不宜相差太大。

第四，多联梁式桥相邻联的基本周期不宜相差太大。

第五，梁式桥一联内各桥墩刚度相差較大或相邻联基本周期相差较大时，宜采用适当的方法进行调整。

第六，梁式桥的矮墩不宜设置固定支座，宜设置活动支座或板式橡胶支座。

第七，普通桥梁宜选择完全延性结构，以获得最佳的经济效益。一些关键桥梁通常不宜采用完全延性结构，而应当选择有限延性结构或完全弹性结构，以获得较佳的抗震性能。对结构破坏可能引起社会动荡、造成严重经济损失（包括直接经济损失和间接经济损失）或为国防、救灾提供紧急车辆通行的关键性桥梁，则宜选择完全弹性结构进行抗震设计，以保证结构在小概率发生地震的作用下也能保持正常使用功能。

第八，一般的延性抗震桥梁选择塑性耗能机制，即选择结构中预期出现塑性铰的位置。在选择塑性耗能机制时应遵循能量准则，以获得最优的耗能机制，并尽可能使预期的塑性铰出现在易于发现和易于修复的结构部位。

3 抗震理念在路桥设计中的应用

以某工程为实例展开分析。该桥梁位于一级公路上，抗震设防类别为B类。

3.1 设计过程

3.1.1 明确参数。该桥梁工程抗震设防类型为B类，烈度为7度。场地类型为Ⅱ类，抗震措施等级为3级，E1地震作用重要性系数为0.43，E2地震作用重要性系数为1.30，抗震重要系数为0.43，特征周期为0.4 s，加速峰值的大小为0.1g（g为重力加速度）。

3.1.2 抗震结构计算。以单柱墩作为抗震设计的分析对象。通过分析，能够得到支座顶面的纵向地震作用力和上部结构受到横向地震的作用力，明确各自对应的水平位移情况，掌握横桥向和顺桥向的地震作用[3]，最后根据永久作用效果计算弹性状态桥墩的强度值，明确桥墩柱的纵筋配置情况。

3.1.3 主要构件设计。对桥梁工程来说，墩柱和桩基是承受地震的关键构件。设计时，设计人员需要认真计算各结构的强度。明确桩基础强度后，将E1地震作用作为设计的重要基础，然后计算配筋率。在材料标准强度、最不利轴力的情况下，计算桥梁方向极限弯矩值。根据对应的剪力值和轴力值，对桩基的组合与直径进行合理设计，进而确保桩基础保持弹性状态，以便计算承载力。如果存在与标准不符的问题，要增加配筋率或者桩基。验算墩柱抗剪强度的过程中，以E1地震作用为基础合理设计弹性，在E2地震下进行延性设计，同时对墩柱、盖梁及基础等进行保护设计，计算桥梁、配筋率等相关的极限弯矩值。

3.2 抗震设计方法

3.2.1 合理选择墩柱截面。墩柱截面和桥梁的抗震能力关系密切，在保证上部结构、墩柱高墩保持一致的前提下，选择4个不同的截面尺寸。E1抗震结构的计算结果如表1所示。

通过分析数据可知：如果桥梁的墩高、桥宽及跨径机构明确，使用较大的截面，在实际设计阶段会导致结构中墩柱纵向配筋的数量增加，造成弯矩值增加，对应的基础构件尺寸变大;如果使用小斜面，抗弯强度难以达到规范要求。所以，在实际设计阶段需要提高截面配筋率[4]。截面较大或者较小都难以满足设计要求，需要进行合理的假定验算，并在验算的基础上明确最终使用的截面大小。

3.2.2 合理选择固定支座。对一联桥梁来说，特别是和桥台连接的一联，结构中的固定支座尽量不要选择矮墩，这主要是因为矮墩的刚度较大，容易对结构抗震性能造成影响。铅芯橡胶支座具有良好的抗震效果，能够有效减少主梁的相对残余位移。

3.2.3 边梁端设计。在实际设计阶段，需要确保边梁端和墩柱的边缘保持合理的距离，避免地震过程中桥梁发生纵向落梁[5]。为了能够有效预防横向形变，需要在上部结构与桥梁相连的位置设置钢筋混凝土横向限位挡块。采用这一方法，能够有效避免地震灾害导致的水平位移，进而减少落梁风险。

3.2.4 单柱墩底塑性铰区设计。单柱墩底塑性铰区的密度较高，对长度进行设计的过程中需要根据墩柱截面长边尺寸或者墩柱高的20%进行选择，并比较两个数值，选择其中较大的数值作为加密长度。加密箍筋的最合适间距为0.1 m。

3.2.5 承台和独柱墩下结点的连接设计。对该部位进行设计的过程中，需要确保墩柱垂直配筋和横向箍筋的连续性。在实际设计过程中，需要将墩底纵向柱钢筋延伸至承台的底部位置。图1为设计示意图。

在进行路桥抗震设计时，不仅需要做好基础工作，还需要不断更新设计理念。我国路桥抗震设计规范缺乏对国内桥梁与国外桥梁结构传力系统差异性的关注，未对传力路径的差异展开针对性分析，因此不利于全面掌握路桥的实际情况。我国多数桥梁的下部结构为桥墩，日本等国家使用钢支撑，因此在抗震设计中存在一定的问题。此外，传力路径方面在规范和设计中也存在明显的差异。所以，在实际设计阶段，需要充分结合工程的具体情况进行设计。如果发生大地震，需要允许桥梁发生一定程度的损坏，如结构中的支座受损。该过程能够消耗地震形成的大量能量，具有保护墩柱的作用[6]。桥梁结构的支座具有一定的保险作用，对提高工程抗震能力具有积极作用。在实际设计阶段，可以适当利用上部结构和支座之间形成的摩擦消耗一定的能量，最大程度上减少地震对桩基造成的影响[7]。

4 结语

抗震性能是评估桥梁工程安全性能的一项重要指标，因此在进行桥梁设计过程中要积极使用抗震理念，有效提高工程的抗震能力。在设计阶段，设计人员需要充分结合工程具体情况做好各环节的设计工作，从而保障桥梁工程的安全性。

参考文献：

[1]郭小土.浅谈中小跨径公路桥梁抗震设计理念[J].建筑工程技术与设计，2018（23）：1121.

[2]黄钢.分析公路桥梁合理抗震设防理念[J].四川水泥，2017（12）：53.

[3]吴秋梅.公路桥梁合理抗震设防理念研究[J].建筑工程技术与设计，2016（15）：1506.

[4]肖飞.公路桥梁抗震设计规范的分析与研究[J].黑龙江交通科技，2017（11）：104.

[5]郭高洁.桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法[J].四川水泥，2016（7）：83.

[6]洪梓翔.试论路桥工程中桥梁的抗震设计要点措施分析[J].建筑工程技术与设计，2017（24）：2076.

[7]张明超.探析抗震理念在路桥设计的应用[J].建筑工程技术与设计，2016（6）：958.