公路桥梁抗震设计中存在的问题及改进策略

温志剑

（江西省交通设计研究院有限责任公司，江西 南昌 330052）

0 引言

在地理位置等复杂因素的影响下，我国很多地区地震灾害频发，对于公路桥梁工程抗震性能提出了巨大考验。我国桥梁建设发展迅速，在公路桥梁项目建设中已逐渐产生诸多高新技术类型，施工工艺水平显著提升，但在地震发生时，公路桥梁工程垮塌事故依然屡见不鲜。根据调查研究发现，影响公路桥梁工程的抗震性能影的素很多，包括抗震性能设计水平、施工工艺技术等。抗震设计水平对桥梁建成后的实际抗震性能会有明显影响，因此亟需对公路桥梁抗震设计中的常见问题及优化对策进行深入探究。

1 桥梁抗震设计

1.1 抗震设防标准

通过对现行的公路桥梁抗震设计规范进行分析，对于抗震设防标准，仅进行简单的定性描述。本文对公路桥梁抗震设防标准进行系统性阐述，具体如下。

（1）综合考虑地震动背景，对于公路桥梁抗震设防水准可分为3 种类型：①设防水准I，地震重现期25 年，50 年超越概率63%，即“小震”。②设防水准Ⅱ，地震重现期475 年，50 年超越概率10%，即“中震”。③设防水准Ⅲ，地震重现期2000 年，50 年超越概率3%，即“大震”[1]。

（2）通过对地震破坏程度进行分析，桥梁工程抗震性能可设定三种目标：①性能目标I，在不修复的情况下依然不影响使用，保持良好弹性状态，即“不坏”。②性能目标Ⅱ，局部可出现轻微性损伤，进行简单修复处理后则不影响使用，保持良好弹性状态，即“可修”。③性能目标Ⅲ，保证不坍塌，只需采用临时性加固措施，依然能够满足应急使用，即“不倒”。

（3）为了提升桥梁工程抗震设计水平，确保能够达到抗震设防目标，将梁体截面划分成纤维单元开展数值计算工作，需要绘制出墩柱截面弯矩——曲率的曲线，同时还需制定验算准则[2]。对于验算准则，可分为三种类型：①验算准则I，即M

1.2 结构抗震概念设计

在公路桥梁工程抗震设计中，相比数值设计，概念设计尤为重要，然而很多设计人员对于桥梁抗震概念设计不够重视。在公路桥梁结构体系总体布局上设计人员更注重于墩高以及支座设计。桥墩高度对墩底弯矩影响大：①墩高会对结构基频产生直接影响。②墩高对上部结构剪力、墩顶水平力的力臂产生直接影响。③墩身质量对墩底弯矩产生较大影响[4]。

1.3 结构抗震数值分析

（1）地震动作用输入方向及组合工况。作用本身相对复杂，作用形式多样，主要有水平向作用和竖向作用。在进行抗震分析时，需要结合相应要求以及经验对水平作用以及竖向作用进行重点分析[5]。在竖向作用分析中，可使用与水平作用相同的输入参数，峰值选取上，竖直作用峰值取水平方向的0.5 倍。欧洲规范将周期作为依据，如表2 所示，目前国内桥梁抗震取2/3。

表2 Eurocode8 建议竖直与水平峰值比

水平地震作用输入本身不确定性明显，所以需要关注地震力之间的效应组合情况。结合AASHTO 规范，工况组合如下：①在LC1 首个垂直方向力效应的绝对值的100%，与第二个垂直向力效应绝对值的30%组合。②在LC2 第二个垂直方向力效应绝对值的100%，与第一个垂直向力效应绝对值的30%组合。

在国内桥梁工程抗震设计中需对两个方向的水平力进行准确计算，同时各自与竖直荷载进行组合。

（2）对三种数值分析方式进行对比，结果如表3所示。

表3 三种分析方法的主要区别

选择某桥梁作为研究对象，在该桥梁构件截面地震内力计算分析中，分别采用前面所述方法计算，获得结果，如表4 所示。

表4 三种方法得到的地震力

1.4 结构抗震构造设计

在公路桥梁工程抗震设计中，需特别注重总结震害分析经验、概念设计经验以及定性研究成果。在我国新编的《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020）中已针对公路桥梁结构抗震结构设计提出技术要求。

2 桥梁抗震设计中的问题

目前，抗震设计不断完善标准，随着经验积累增多，设计质量也明显提升。但是，由于种种原因，目前很多桥梁的实际抗震性能依然不符合预期，对于设计中的各种问题必须加强关注，妥善处理。

2.1 桥梁选址不当

公路桥梁桥位选址要求综合考虑各种影响因素，包括地质、水文、通航、行洪、征地拆迁补偿、各类管线等。由于制约因素多，如桥梁选址不当则会显著增大项目的建设和运营风险。

2.2 上部结构易发生扭转、位移

桥梁结构中墩台、支座等结构均可发挥隔离作用，发生地震时公路桥梁上部结构一般不会发生严重的破坏问题，但下部结构的破坏问题就显得格外突出，如公路桥梁墩台部位相邻梁之间发生碰撞，导致梁端受到挤压而破坏、地基失效，导致上部结构受到破坏。

2.3 下部结构易发生开裂、变形

在地震发生后，桥梁下部结构易遭到严重破坏。地震作用不仅造成公路桥梁地基受到破坏，在水平地震力作用下，桥梁墩台以及基础均会遭受一定损伤，如果情况严重则有较大的桥梁坍塌风险。

2.4 支座的底部应力平衡能力不足

在公路桥梁支座底部结构中，如果所用材料质量不符合要求，就难以保证最终桥梁成品质量。支座是需要承重的桥梁支撑系统，出于保证这一结构在面对地震危害下保持稳定性考虑，需严格依据设计意图组织施工，保证支座结构之间连接牢固有效，避免在地震中导支座结构产生大的变形。

2.5 桥梁附属设施的破坏

公路桥梁附属构造如设计不合理，在发生地震地灾害后，伸缩缝、搭板、桥面系均可能会遭到破坏，对公路桥梁的其他构件造成不同影响。在进行桥梁抗震设计时，需将桥梁上、下部作为整体，各个构件的抗震性能发生相互影响。为了提升公路桥梁的抗震性能，秉持先进的设计理论，选择适宜的结构类型。

3 桥梁抗震设计优化对策

3.1 选择适宜的建设场地

公路桥梁项目建设前，应当选址在抗震性比较好的场地。首先，对公路桥梁结构施工要求进行分析，选择有利场地，避免在危险地段组织施工；其次，在实际施工中应当注意避免地震周期接近在建项目的自振周期，以避免产生共振现象而造成桥梁结构的破坏。

3.2 桥梁上部结构的抗震措施

首先，对于简支梁，可采用连续梁替代，尽量减少设置伸缩缝，避免发生落梁风险；其次，在预应力混凝土公路桥梁工程上部结构抗震设计中，可应用真空灌浆施工方式，提高公路桥梁结构刚度以及强度，改善桥梁抗震性能；最后，在拱桥上部结构抗震设计中，对于主拱圈可采用框拱、拱板等形式，为提升拱桥上部结构抗震性能，可提高主拱圈扭转刚度，拱肋可应用钢筋混凝土结构，加强肋间的横向连接。

3.3 桥梁下部结构的抗震措施

桥梁下部结构起到支撑作用，该部分关系到结构整体抗震能力，在设计时需要引起关注。桥台截面如果设置为T 形或U 形，能够起到较好效果。重力墩柱的施工方式便捷，并且抗震性能比较好，也可降低桥梁施工成本。因此，实际工作中，应当推广应用U 型桥台或者T 形截面桥台，据此提升施工便捷性，同时对施工成本进行有效控制，改善公路桥梁的抗震性。在公路桥梁底座结构设计中，应当改善桥墩延性。公路桥梁桥墩分为空及实心两种类型，其中空心截面的延性比较好。

3.4 选择合适的桥位、桥型和孔径

在公路桥梁桥位设计方面，应当注意规避危险地段，并选择有利地段。公路桥梁中线与河流正交，在发生地震灾害后河岸可能会发生变迁，其作用力对桥梁的负面影响不大。如果采用斜交设计方式，则在发生地震灾害后河岸可逐渐向河心方向发生移动，可造成公路桥梁发生扭转破坏。在几何线形方面，应当尽量保证公路桥梁处于直线上，避免在发生地震时反应过于复杂。

3.5 支撑连接构件抗震措施

墩台顶帽要注意防止发生落梁问题，为避免支座结构发生位移需增加纵向挡块及横向挡块。另外还可采用橡胶支座，提升支座结构稳定性。对于不利墩，还需联合应用减震隔震措施，如安装塑性铰、橡胶支座等。

3.6 桥梁延性抗震设计

为提升桥梁工程构件的延性，要求确定延性量化分析的各类指标，为公路桥梁整体结构抗震设计奠定基础。在钢筋混凝土桥梁工程抗震设计中，应当选用延性构件，将桥梁工程基础结构、梁体以及盖梁作为桥梁工程能力保护构件，对墩柱结构的抗剪强度进行严格控制。在桥梁工程延性设计中，要求对延性需求以及延性能力进行细致化分析，并应用能力设计方式，改善桥梁工程结构抗震性。

3.7 桥梁减隔震设计

为了避免地震对公路桥梁工程各类构件造成损伤，在抗震设计中需应用结构控制技术，如通过采用塑性变形方式，快速消耗由于地震所产生的大量能量，避免桥梁发生倒塌事故。例如，在桥梁工程结构设计中，可应用耗能支承结构，提升桥梁工程结构安全性和稳定性，同时还可减少项目建设成本投入量。

4 结语

综上所述，本文主要对公路桥梁工程抗震设计方法、设计中的一些不足以及可以采用的优化对策进行了探究。随着交通建设进程不断加快，桥梁建设如火如荼，在桥梁工程设计中，必须提升桥梁工程抗震性能，保证桥梁工程结构稳定性。但是，目前桥梁抗震设计需要进一步提升严谨性。对此，要求对抗震设计方式进行优化创新，并进行针对性改进，提升桥梁工程项目建设效益。