城市桥梁抗震设计探讨

张路

摘 要：地震发生会导致城市基础设施以及桥梁倒塌破坏，会造成城市交通生命线的中断，阻碍了救援，损失了经济。为了能够建立安全、经济、可靠的抗震设计，文章首先介绍了桥梁抗震设计理论以及既有桥梁抗震设防标准研究，并提出了桥梁减隔震技术。

关键词：城市桥梁;抗震设计;减隔震技术

0 引言

由于我国地处太平洋地震带与亚欧地震带之间，地震相对而言更为频发。地震作用会导致城市的基础设施受到损坏，桥梁出现裂缝甚至倒塌，造成城市交通生命线的中断，增大了灾区救援的难度。地震的作用还会引发一系列的次生灾害，经济会由此受到巨大的损失[1]。地震对桥梁所造成的病害主要可以分为上部结构、下部结构、基础、连接构件等方面的失效和破坏。为了能够削弱降低大地震对桥梁结构的影响，减小破坏，需要加强对桥梁抗震设计的研究，建立安全、经济、可靠的抗震设计。

1 桥梁抗震设计理论

1.1 基于结构地震反应的抗震设计方法

结构地震反应的不同，能够将抗震理论划分为静力、反应谱、动力理论等。静力理论中结构物被假定为绝对刚性体，结构的动力特性反而被忽略，结构破坏的因素仅仅只是考虑了地震加速度，其局限性相对而言更大，对于重力式的桥台、路基可以通过静力法进行简化计算。反应谱理论相比于静力理论，其中考虑到了结构的动力特性，但是其缺点是没能够考虑到时间效应，地震力被当做是静力对待，当结构进入了塑性状态，应力会被重新分布，但反应谱法并未能够考虑到此方面。而且该方法假定结构中各个点的振动都是完全相同的，也没能够考虑到地震响应的空间性[2]。动力时程分析法考虑了反映实际的复杂因素，弥补了反应谱法的缺陷，但是该方法的计算量较大，也只有对于要求较高、计算精度较大的大跨径桥梁中才应用此方法。

1.2 基于性能的抗震设计方法

抗震方法还可以依照性能关系来进行设计，其中性能主要包括了强度、位移、能量损伤等。基于强度的抗震设计方法，第一步需要对结构的自振周期进行估算，下一步需要对结构弹性阶段的地震力进行计算，在这个计算过程主要是依据的设计加速度的反应谱，之后需要选取折减系数来对地震力进行折减得到结构进入塑性阶段的地震力，最后结构的配筋设计则可以根据结构屈服力以及设计地震力来进行确定。该方法的不足在于不能够控制结构的损伤状态以及经济损失。基于位移的抗震设计与强度相比，能够更好的反应结构的损伤状态，基于位移的抗震设计方法还可以细分为延性设计法、能力谱法、直接基于位移设计法等[3]。基于能量及损伤设计方法原理较为明了，概念清晰，但是对于总能量的计算以及能量的耗散和分布方面还需进行深入的研究。

2 既有桥梁抗震设防标准研究

桥梁抗震性能的设计中，设防标准的确定是其中首先需要考虑的问题，设防标准具体还可以分为平均设防标准以及相对设防标准，平均设防标准反映的是地震烈度区划的问题等总体设防烈度的内容，而相对设防标准主要考虑的是抗震重要性系数的问题。而由于各地区经济发展水平差距较大，而对于结构抗震性能方面的要求也会有所不同。根据桥梁的上部结构形式以及桥梁所处道路等级抗震设防分为四类，如下表1所示。

抗震设防标准的确定还需要考虑到桥梁的重要程度、结构设计基准期、地震可能引发灾害、建设单位所能承受的经济能力。不同类别的桥梁抗震设防标准如表2所示。

3 桥梁减隔震技术

目前常应用主动、被动以及混合等结构性控制技术来提高桥梁的抗震性能。该控制技术的原理是在桥梁的某些特定部位安装特定的控制装置或者施加以外力作用调整结构整体的动力特性以及动力作用，叨叨确保结构安全的目的。在目前的桥梁设计中，减震技术作为被动控制技术的一种，应用广泛，通过在结构中安装特殊特制装置，在出现强震时，减震装置能够比桥梁结构先进入塑性状态，与此同时还会产生较大的阻尼，大部分的地震能量会被消耗或者削弱。而隔震技术就是应用装置来隔离结构和地面，阻隔地震能量的传入[4]。在实际的工程应用中，通常将隔震技术与减震技术相互结合，更加有效的提高桥梁结构的抗震性能。

3.1 桥梁减隔震设计的原则

并非在任何情况下均能够采用减隔震技术，首先需要对桥梁的概况进行分析，判断其能够达到应用减隔震技术的原则以及条件，之后再结合桥梁的实际情况进行抗震技术的设计。如果桥梁的基本周期较短、桥墩较长，应用减隔震技术对于延长结构的周期、削弱地震效应非常有效。如若桥址区为岩石或者坚硬土，场地条件整体較好，则可以通过采用减隔震技术来尽可能的避开高频地震动。对于桥墩高度差距较大且刚度不均匀的情况，通过采用减隔震技术使得各个桥墩的刚度能够均匀的承受地震力。但是倘若桥址区软土层较厚，应用减隔震技术会加大地基与桥梁之间产生共振的几率，而这种情况则不建议设置减隔震结构。

减隔震技术的重点是提高结构的耗能能力以及隔绝地震动，但是不应该过分的追求延长结构的周期。减隔震装置通常设置在桥梁的墩顶处，一方面能够有效的降低桥梁上部结构的地震作用，另一方面还能够保护下部的结构。在工程实际中通常是将普通支座更换为减隔震支座，相对而言更为经济。

通过对桥梁减隔震技术的应用，一方面能够降低结构所受到的地震作用，另一方面还能够合理的调节桥墩之间的地震力分配。通过调节减震装置的刚度就能够合理的调整桥墩所承担的地震作用力，能够有效的避免刚度过大的桥段产生较大的地震作用力，此外还能够减小基础条件差的桥墩所承担的地震作用力，让桥梁结构能够更加均匀的受力。在横向上，通过设置减隔震能够对桥墩之间的横向刚度进行协调，减小桥墩之间横向位移的差异而产生的梁体扭转。

3.2 常用的桥梁结构减隔震装置

隔震装置通常可以划分为橡胶支座和滑动支座两种。隔振装置常用的包括铅芯橡胶支座以及高阻尼橡胶支座，通过提供较大的柔度来延长结构周期，同时还可以通过塑性形变来消散大部分的地震能量，同时可以具有隔震和耗能的效果。阻尼器也是隔震装置的一种，通过来增大结构阻尼，并耗散输入结构中的能量，阻尼器主要可以分为速度型、位移型以及其他类型。速度型阻尼器其工作原理是通过对液体或者胶泥中的流动阻力加以利用从而为结构提供阻尼，能够把机械能转化为热能，从而来消散削弱能量。位移型阻尼器是通过材料的塑变来削弱地震能量;摩擦性阻尼器通过摩擦力做功对地震能量加以消耗。目前常用的间隔震装置主要包括了铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、滞变型钢支座、摩擦摆式支座、液压阻尼器等。

4 结语

综上，针对城市桥梁的抗震问题文章展开了简略的分析，首先从基于结构地震反应以及基于性能两个方面介绍了桥梁抗震设计的理论，然后阐述了既有桥梁抗震设防标准研究，最后提出了桥梁减隔震设计的原则以及常用的桥梁结构间隔装置。

参考文献：

[1]周连绪，叶爱君，刘腾飞.城市轨道交通桥梁抗震设计[J].土木工程与管理学报，2017，34（6）：121-125+140.

[2]石育铭.城市桥梁抗震设计探讨[J].珠江水运，2014（19）：86-87.

[3]韩鹏，王君杰，董正方.城市轨道交通高架桥梁抗震设计中的关键问题[J].震灾防御技术，2010，5（1）：32-42.

[4]牛植田.城市匝道桥梁的抗震设计研究[J].黑龙江交通科技，2021，44（1）：81-83+87.