现时期公路桥梁设计及其抗震优化研究

魏晓强，吴登科

（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安710075；2.中联西北工程设计研究院有限公司，西安710077）

1 引言

我国土木工程建设环境复杂，不同建设条件下桥梁的结构有很大的差异。不重视桥梁的抗震设计，容易导致桥梁在地震灾害中丧失使用功能。桥梁在地震中发生的震害是毁灭性的，为了降低桥梁震害对人类生活的影响，设计中常采取两种方法进行抗震[1-3]。第一，用新型抗震材料代替传统混凝土材料，降低了震害对桥梁的影响。第二，通过完善设计规范，提高桥梁的抗震设防烈度，提高支座在整个地震作用中的影响。本文将针对以上两种方法，展开公路桥梁的设计及其抗震优化研究[4-5]。

2 公路桥梁抗震设计的相关理论

2.1 抗震设计的概念

抗震设计，又叫减隔震设计，由减震设计和隔震设计两部分组成。与减震设计不同，隔震设计在设计过程中应考虑结构的振动周期数值。当公路桥梁遭遇地震时，桥梁结构上设置的隔震设施可以对地震波所带来冲击起到一定程度的延缓作用，使桥梁结构所承受的能量减少，从而对桥梁起到保护作用。在实际应用过程中，减隔震设计中关键设备的阻尼装置和耗能构件起到了决定性作用。

2.2 抗震设计的原理

2.2.1 结构控制

在对公路桥梁结构设计过程中，常采用的结构控制技术有混合控制技术、被动控制技术及主动控制技术3 种。设计中最常采用的为被动控制技术。这一技术的原理是设计人员通过数值计算实现桥梁结构的最优布置，最大限度地降低地震对桥梁所带来的影响。经实践可知，在抗震设计过程中采用结构控制技术可以提高公路桥梁的抗震性能。

2.2.2 延性设计

现今，对公路桥梁建设过程的考核标准更加多样化，不仅要确保结构具有一定的强度和高度，还要充分考虑到制作过程当中材料的可重复使用性以及经济适用性。公路桥梁结构强度及延展性的提升，对抗震设计起着决定性的作用。公路桥梁结构振动是地震对桥梁破坏的主要方面，基于此，在抗震设计中必须尽可能将地基传入结构的震动能量降低。公路桥梁的延性设计目的在于以塑性变形来抵抗地震作用，虽然整体的变形变大，但地震作用传入桥梁内部的内力减少，降低了公路桥梁建设在受到地震等自然灾害的破坏，能够得以再次使用，减少经济损耗。

3 公路桥梁抗震设计要点

3.1 合理选择桥梁施工场地

在桥梁抗震设计中应注意对施工场地的合理选择，这是保证桥梁抗震效果的前提。通常而言，在选择施工场地时，要尽可能选择较为坚硬的地基，能够为桥梁提供平稳的平台，在遇到地震情况时不会出现严重垮塌，必须尽量保证地基的稳定性。以基岩、碎石和硬黏土等为主的地基类型是较为坚硬的地基，能为桥梁提供稳定的基础，可作为施工场地的首选。如果所设计桥梁的地区位置是软弱地基时，应在允许范围内对地基进行强化加固，重点在于要防止地基受震动因素影响而出现变形，以此确保地基地稳定，进而保证桥梁的抗震性能。

3.2 避免落梁问题的发生

在公路桥梁抗震设计过程中，需尽可能避免桥梁落梁。地震发生时，地震波所带来的能量随着桥梁内部进行传播，从而使桥梁发生位移、垮塌等不良情况，对桥梁上部的车辆行驶和行人安全带来不利影响。因此，需采用有效措施提高桥梁不同结构连接位置的稳定性，增加桥梁震动的弹性，并且在一定范围内允许桥梁发生位移而避免落梁。此外，当桥梁的主梁与墩台缝隙加大时，也容易导致落梁问题的出现，对此可以对桥梁中未连续的位置进行加固，强化其间的联系，而达到防止桥落地目的。

3.3 加强墩柱设计控制

在公路桥梁的建设中，墩柱结构是重要组成部分。墩柱结构一方面可以对桥梁上部结构起到支撑作用，另一方面也发挥着一定的抗震作用。对墩柱加强设计控制其核心在于对墩柱质量的控制，可以采取以下措施：第一，将墩柱自身的强度与地震时所称承受的强度进行比较，从而对墩柱进行设计优化，确保具备足够的承载力；第二，为保证墩柱质量，应重视墩柱配筋，合理选择配筋型号，保证配筋所提供的抗弯承载力足够，提高墩柱自身的稳定性，在地震中发挥其抗震作用。

3.4 合理设置支座

在抗震设计的具体操作过程中，还需关注公路桥梁支座的类型及布置方式。根据公路桥梁所在区域的地震动加速度值，选择具有减震性能的橡胶支座。值得重视的是，在公路桥梁的设计过程中，不要局限于一种类型的固定支座，可以根据结构的不同采用活动支座，并且根据力学知识可以计算得到各支座的受力情况，从而可以使各支座在抗震过程可以充分发挥自身性能。与此同时，根据桥梁结构抗剪能力的大小对箍筋进行科学布置，计算不同箍筋的布置间距，充分考虑好细部构造，从而在满足抗震规范的前提下，最大化地提升公路桥梁结构的抗震性能。

4 公路桥梁抗震设计中应注意的要点

公路桥梁地基设计中，以土的抗剪强度来判断地基对地震作用的抵抗效果。地震作用下，土体产生松动，土中孔隙变大，土颗粒之间的作用力变弱，抗剪强度变低，此时桥梁结构失去了地基的有效支撑，造成结构不稳定。再加之余震的作用，桥梁结构会彻底失去稳定性而倒塌。土体在一次荷载作用下和多次荷载作用下所呈现的抗剪强度不同。

抗震设计时应考虑公路桥梁可能发生的破坏形式，根据破坏结果来加强桥梁的特定部位。例如，我国大多数小跨径桥梁采用简支梁形式，如图1 所示，在地震作用下，桥梁上部结构与下部结构通过制作相连接，地震作用下，支座发生滑移破坏，桥梁上部结构和下部结构的传力系统被破坏，传入下部结构的内力大大减少，在这种情况下应重点考虑如何防止桥梁落架。基于此，小跨径的公路桥梁在抗震设计时要以上部结构与支座的摩擦来消除地震作用。

图1 简支梁桥简化示意图

5 桥梁抗震优化措施

5.1 桥梁上部架构抗震设计优化

在地震灾害中，由于落梁引起的地震灾害较为普遍。根据国内外文献资料，为了提高桥梁上部结构的抗震性能，大多采用限制桥梁上部架构位移，提升桥梁整体性的措施。桥梁架构常用的抗震措施有：将钢板与桥梁底部焊接，或采用多种装置的措施；上部结构与下部结构的连接多采用强度较高的锚固连接；梁端至墩台帽的距离需满足规范所要求的位移。

5.2 桥梁下部结构抗震设计优化

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，可通过支座的变形来消除地震影响，下部结构可采用弹性理论来设计结构。经过调查研究发现，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根据当地的地形、地质情况来确定。表1 是墩柱在不同条件下所采取的设计理念。

表1 墩柱在不同地区的建议设计理念

5.3 引进新型桥梁的抗震设计方法

在传统的桥梁结构抗震设计方法中，为有效提高桥梁结构的抗震性能，通常采取增大结构强度指标和优化结构延性的方法。但上述措施往往具有一定的缺陷，由于地震对桥梁的影响程度和桥梁自身抵抗地震的性能是不确定的，这样会导致桥梁丧失了部分使用功能。因此，需要采用新型的抗震设计方法对原先的设计方法进行优化。目前，由于型钢混凝土具有较好的承载性能，抗剪强度高以及延性较好的特点，因此在设计阶段，已经提出了采用型钢混凝土结构的设计措施。

6 结语

本文以公路桥梁为研究对象，结合现有的规范和设计理念对公路桥梁的抗震设计和优化措施进行探讨，主要结论如下：抗震设计中采用结构控制技术可以提高公路桥梁的抗震性能；延性设计目的在于以塑性变形来抵抗地震作用，整体的变形变大，但地震作用传入桥梁内部的内力减小，降低了公路桥梁建设在受到地震等自然灾害的破坏；桥梁的主梁与墩台缝隙加大时，容易产生落梁问题；为提高桥梁结构稳定性，减少桥梁震害，可通过引进新型桥梁抗震设计方法，吸取抗震设计的成功经验。