公路桥梁设计与抗震优化研究

戴光亚

（华设设计集团股份有限公司，江苏南京210000）

0 引言

作为我国交通行业的重要枢纽工程，公路桥梁是基础建设中的重中之重。我国在公路桥梁建设方面投入巨大[1]，其中，抗震及减、隔震一直是桥梁设计的重点，其目的是全面提升公路桥梁的稳定性和安全性，降低灾害的发生。一旦公路桥梁的抗震或减、隔震设计存在不科学的情况[2]，轻则导致工程失败，重则直接破坏桥梁工程，给人民的安全带来巨大危险，甚至造成人员伤亡。所以，针对以上情况，本文探究了公路桥梁设计中的抗震与减、隔震技术，具有一定的现实意义和基础。

2 公路桥梁结构的震害及原因分析

地震对桥梁结构的影响是比较大的，容易导致桥梁结构损坏，使桥梁的质量和安全性无法满足相关标准。在实际工作中，需要加强对桥梁结构抗震设计和防护的重视，且需要了解桥梁结构出现震害的原因。桥梁结构震害包括桥梁振动、场地相对位移变化、产生强制性变形等[3]。在场地运动的引力下，会引起桥梁结构的振动问题。场地的位移也会引起桥梁振动，形成了超静定内力，使桥梁结构出现变形，在地震的作用下，桥梁结构还会受到不同程度的破坏，出现如桥墩开裂、倾斜等情况，很难有效保障桥梁安全。由于地震的破坏形式不一致，所以对桥梁结构的破坏程度也存在一定的差异。地震发生后，桥梁会出现位移，对其各个节点造成严重影响，节点的承载力和角度从而发生变化，会使桥梁本身出现相互碰撞的问题。一部分桥梁还会整体隆起，这主要是由于地震使得桥梁地基周围土质发生变化导致的。此外，支座和桥墩弯曲，也是桥梁震害常见的表现形式。在实际工作中，技术人员需要从多方面入手，加强对桥梁结构抗震设计的优化力度，设置安全防护措施，提高设计效果和水平。

2.1 工程案例

2021年5月22日，青海省果洛州玛多县发生7.4级的地震，对该地区的基础建设，尤其是交通桥梁造成了巨大破坏，图1 为野马滩大桥坍塌现场。

图1 野马滩大桥坍塌现场

由图1 可见，距离震中7km 的野马滩大桥破坏严重，桥面多处发生断裂。已有文献表明，青海当地桥梁设计的地震烈度为8 度，该次地震烈度并未达到桥梁地震烈度的设计值，但桥梁却发生了坍塌。本文将围绕该工程问题分析地震发生时，桥梁的震害措施。

2.2 桥梁上部结构的震害

我国是一个多山的国家，发生地震灾害的情况较多。地震对桥梁造成的损坏，一部分表现在桥梁的上部结构中，如桥梁出现位移、水泥掉落、支座损坏等，都会造成桥梁整体结构的损坏。其中，墩柱和盖梁的损坏带来的影响是最为严重的。

现如今，随着我国建筑技术的发展，在公路桥梁建设工程中，上部结构的抗震措施已逐渐完善，但不能抵抗所有级别的地震。当出现特大级地震或地震伴随其他自然灾害时，公路桥梁会出现毁灭性破坏。由汶川地震所引发的社会灾害就可以看出，在地震惯性作用下，梁体碰撞会导致桥梁错位。

地震灾害带来的复杂作用是强烈且明显的。所以，当公路桥梁受到地震作用时，桥梁体制架会在第一时间出现破损，这不仅严重破坏了公路桥梁上部结构的完整性，也会带来不可预估的损失。所以，在现今的公路桥梁建设中，应极度重视项目结构的稳定性，以期将桥梁的上部结构和构件连接部分的伤害降到最低。

2.3 桥梁下部结构的震害

桥梁下部结构震害的常见表现是倾斜、开裂或是混凝土桥墩下部钢筋出现灯笼状变形，导致施工土地出现崩裂。常见的单向倾斜和八字开裂，主要是由于各个桩基的连接处存在一定的偏差而导致的。

2.4 地基基础的震害

桥梁工程中最重要的组成部分，是下部结构的基础工程。良好的地基环境是桥梁整体安全性的前提和保障。发生地震时，最常见的基础病害是土体液化，土体失去了原有强度，导致稳定性降低，桥梁上部结构遭到破坏。同样，地震带来的剧烈横向波动也增加了基础的横向作用，导致基础被破坏。图2 为日本昭和大桥因砂土液化而发生坍塌的现场。

图2 日本昭和大桥因砂土液化发生坍塌

3 公路桥梁抗震的设计要点

3.1 公路桥梁的设计要点

在公路桥梁工程建设中，抗震设计是重中之重。设计时应符合国家制定的相关标准，因地制宜地设计出与当地地形条件相适应的桥型。设计前，应做好勘探工作，越过不良地质，降低基础被破坏的可能。

相关文献表明，桥梁的基础选址要注重场地的坚硬程度，越坚硬的土质，越能防止土体在地震作用下液化，抗震效果也就越好。

3.2 提高结构和构件的强度和延性

公路桥梁结构振动，是地震对桥梁造成破坏的主要方面。基于此，在进行抗震设计时，必须尽可能降低地基传入结构的振动能量，同时要确保桥梁结构具有足够的强度。

地基土在地震作用下将振动传入桥梁结构，结构中的各个部位会在振动作用下发生位移或较大变形。当结构的延展性不足时，微小的变形也会导致断裂，桥梁结构体系也会因此遭到破坏；当构件的延展性足够抵抗结构变形时，桥梁就具有了一定的安全储备，可靠度提高。因此，要不断加强建筑材料的延性，以此来抵抗地震作用。

3.3 桥梁的减震、隔震设计

在桥梁整体的抗震结构设计中，减、隔震技术主要包括两个方面：减震和隔震。

在现代公路桥梁建设中，应用减、隔震技术的目的，是在最大程度上将桥梁结构与地面运动分离开，为了达到这个目的，可以延长结构的基本周期。如图3所示，地震振动频率会随着结构周期的延长而减小，延长结构的基本周期就是在降低地震对结构的危害，尽可能减少地震集中的位置。该方法虽然有效降低了地震对结构的作用力，但结构基本周期的延长，也意味着结构位移的增大。

图3 加速度反应谱

为了避免位移过大，应在桥梁结构中增加阻尼装置。一旦发生地震等威胁桥梁结构稳定性的问题时，减震装置可以将地震力吸收、转移，以达到减震的目的。隔震是通过对结构设计的调整与优化，借助振动周期将振动所产生的能量的冲击力降低并分散，进而阻隔振动对桥梁结构稳定性的影响，如图4。

图4 位移反应谱

3.4 体系的整体性和规则性

确保桥梁上部结构的连续性，可在地震发生时有效避免结构构件及非结构构件在振动过程中散落，使建筑结构在地震中充分发挥其抗震作用。在设计之初，要充分考虑到设计尺寸和实际情况，保障建筑的质量、韧性，防止突发事故的发生。

4 公路桥梁抗震优化措施

4.1 桥梁上部架构抗震设计优化

落梁也是非常常见的震害。为避免这种情况发生，现在的主要做法是加强桥梁的上部结构，对其整体性进行限制。这样做的目的是当桥梁发生灾害时，能够提升桥梁上部结构的抗震能力。具体的优化措施如下：

其一，固定梁体底部，减小梁体的位移。可采用加钢板或者横（纵）向位移约束装置进行固定，混凝土挡块和拉杆是较常用的约束装置。

其二，注重桥梁上部和下部结构的连接位置，可采用强度较高的锚栓连接。

其三，梁端与墩台帽的距离、梁端与盖梁边缘距离、挂梁与悬臂的搭接长度等，都要满足设计要求。

其四，当桥梁跨度过大时，不宜采用简支梁，建议采用连续梁，以减少伸缩缝。

4.2 桥梁下部结构抗震设计优化

我国在公路桥梁建设方面的技术水平已处于世界前列，因此，对于桥梁墩柱的设计，除了要考虑结构的安全性，还要考虑其是否美观、经济。目前，我国桥墩的主要形式是圆柱形、花瓶墩形和方形。

减、隔震体系的主要作用是消散地震的能量。支座连接上部结构和下部结构，因此可以通过支座的变形来消除地震带来影响，下部结构可采用弹性理论进行结构设计。调查、研究发现，采用不同的理念来设计结构是最为经济、合理的，不同地区的结构设计应根据当地的地形、地质情况来确定。表1 是不同条件下所采取的墩柱设计。

表1 墩柱在不同地区的建议设计理念

4.3 引进新型桥梁的抗震设计方法

在以往的抗震设计中，我国基本采用的是以提高结构的整体强度或增强结构延展性的方式，来保障桥梁结构的抗震能力。但不同类型的震害带来的破坏不同，因此要针对不同的情况采取措施。由于我国是多山国家，不同地区的地震影响与桥梁的抗震能力都很复杂，因此，要不断更新和补充抗震设计技术，学习国外先进的抗震技术，不断提升材料的性能。现如今，我国广泛采用钢混凝土结构来实现对建筑的保护和结构的稳定，该结构能进一步提升承载能力和抗震能力，提升应灾能力，保护人民的人身和财产安全。

5 结论

以实际震害桥梁为研究基础，重点分析了桥梁受到破坏的原因；总结了地震中常见的桥梁破坏形式，分别从上部结构、下部结构和基础结构三个方面进行分析；确保桥梁上部结构的连续性，可在地震发生时有效避免结构构件及非结构构件在振动过程中散落，使建筑结构在地震中充分发挥其抗震作用。

由于我国复杂的地理面貌，我国在工程建设中的各个环节都非常复杂、艰难，桥梁也面临着诸多病害，其中震害最为严重。未来，对建筑抗震的研究将着重于设计阶段的结构预防，尤其是对于地裂缝、跨近断层等地质条件复杂的地区。除了设计阶段的预防，也要注重震后的及时修复，尽快恢复交通运行，保证桥梁的稳定性。而随着大数据、人工智能的兴起，将有更多的高精尖技术被应用于工程中，预测、分析震害的发生，优化震害的设计，让我国的公路桥梁具备更好的防震、抗震功能。