桥梁结构抗震设计与设防措施研究

曾辉

（中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100018）

1 引言

城市化发展过程中，桥梁成为社会交通体系中的关键组成部分。但在桥梁运营过程中，常见的地质灾害会直接影响桥梁结构的稳固性，继而诱发桥台滑移、桥墩开裂等安全问题，使桥梁使用期间的安全风险增加。为此，相关人员应优化桥梁结构抗震设计，并通过采取科学、有效的设防措施增强桥梁工程的抗震性能，完善其安全性能。

2 项目概述

某公路桥梁工程，路线范围内设有大桥1座，主桥跨径为60 m+30 m+60 m的箱梁，主桥全长150 m，线路内桥梁总长为350 m。该桥梁项目的抗震设防烈度为7度，震动加速度峰值为0.05g，抗震设防分类为丁类，场地类型为Ⅲ类。为使该桥梁工程的整体结构具有较强的抗震性能，设计方应结合桥梁结构常见的震害类型优化桥梁结构的抗震设计，制定可靠的设防措施。

3 桥梁结构的震害表现形式

1）桥台震害。发生桥台震害后，桥台、桥梁基础结构的主要表现形式是滑移。滑移问题产生后，桩柱式桥台结构会开裂、折断，重力式桥台则会出现下沉、台体位移。另外，桥台震害还表现为翼墙受损、有裂缝，桥头引导下沉、施工缝错位，与主梁结构相撞后还会直接损坏桥梁结构，使其在受压后坍毁[1]。

2）桩墩震害。桥墩震害的主要表现为墩台开裂、结构倾斜、折断和沉降等，桥墩下部结构中的钢筋构件会呈现出“灯笼”状，混凝土结构会崩裂。部分桥梁结构的桩墩会呈“八”字形、“倒八”字形倾斜，开裂区域多集中在桩柱和横梁、桩顶和盖梁的连接处。

3）支座震害。支座震害多表现为支座结构上的锚固螺栓被迫拔出、支座断裂和倾斜。但不同类型的支座的震害表现形式有所差异。比如，固定支座的震害表现为支座压碎、倾斜，简易辊轴支座则表现为滚动脱落，活动支座在面临震害时，其结构会直接被破坏。

4）梁结构震害。梁结构震害中，主梁坠落是较为严重的震害表现形式，落梁的主要原因是桥台、桥墩因震害而出现倒塌或倾斜情况，以及梁体之间的碰撞、支座结构受损等。桥梁结构中相邻桥墩位移过大时，同样会引起落梁。

5）地震位移。桥梁上部结构中活动节点宽度设置不当时，桥梁结构会出现位移问题，地震位移的主要表现形式是梁体碰撞，对于液化地基，桥梁结构位移后还会引起落梁风险，出现横向、纵向位移情况[2]。

4 桥梁结构抗震设计与设防措施

4.1 桥梁结构抗震设计方法

4.1.1 延性抗震设计方法

1）按照桥梁结构的类型、基本特点、抗震性能要求，桥梁结构中的部分构件可选择为延性构件。

2）选定延性构件后，确定桥梁结构中塑性铰区的位置，优化该区域的结构设计，使该区域桥梁结构抗弯强度符合预期要求。

3）对于需要重点预防桥梁结构塑性变形的结构，以及抗震设计中需保护的构件，还应使其强度设计高于塑性铰区的强度设计，从而在强震作用下使桥梁结构保持弹性，避免因结构的脆性而被破坏。相较于根据强度进行抗震设计的方式，延性抗震设计方法的优势更为明显，不同抗震设计方法的结构抗震性能对比见表1。

表1 不同抗震设计方法的结构抗震性能对比

4.1.2 位移抗震设计方法

位移抗震设计方法是一种新的抗震理念，设计思路是结合桥梁抗震设计目标与设防措施进行抗震设计，具体的设计方式可分为直接设计、间接设计两种。间接设计流程是按照传统的基于桥梁结构承载力的抗震设计方法初步设计桥梁结构，然后评估桥梁结构中的变形、损伤参数，分析桥梁抗震性能，核对桥梁结构极限位移，满足位移控制目标即可。

直接设计法则是以桥梁结构位移作为基础设计参数，然后根据不同地区桥梁结构的地震设防水准、抗震设计的目标位移计算桥梁结构在地震作用下的位移反应谱。同时按照已知设计参数设计桥梁结构，使桥梁结构可以在地震作用下将结构位移控制在一定范围内，降低桥梁结构的震害程度。另外，在整个设计阶段，位移是桥梁结构抗震设计的关键参数，设计人员应以桥梁结构抗震性能为前提，灵活调整位移参数，完善桥梁结构抗震设计。

4.1.3 静力抗震设计方法

为提升桥梁结构的抗震性能，设计过程中还应采用静力抗震设计方法，增强桥梁结构的抗震效果。基于静力法对桥梁结构进行抗震设计时，可假设桥梁结构在地震作用下的震动频率相同，且桥梁结构上的作用力为地面运动、物质质量产生的惯性力。所以，在桥梁抗震设计时，设计人员可忽视结构本身的动力性与运动特征，并根据惯性力评估桥梁结构的内力。然后以此为依据进行桥梁结构设计，使地震作用下的桥梁结构不会受损。

4.2 桥梁结构抗震设防措施

4.2.1 做好基础抗震措施

桥梁抗震设防是在地震作用下，按照桥梁结构的设计要求，使桥梁预期功能符合设计要求的措施，桥梁结构设防需要遵循桥梁设防标准。例如，在城镇交通中占据重要地位的桥梁属于甲类桥梁，处于交通枢纽的桥梁为乙类桥梁。对桥梁结构进行抗震设防时，可分别按照甲类、乙类桥梁的设防标准进行抗震设防。

上述公路桥梁工程处于城镇重要交通枢纽上，属于乙类桥梁，其抗震设防的关键在于做好基础抗震措施。

1）设计桥梁结构时，设计人员应重视桥梁基础结构刚度、强度的提升，同时注意减轻桥梁上部结构产生的荷载，避免因地震作用出现动态变形问题。对于可能出现震害的区域，还应将桥梁基础设计为深基础，并让沉井、桥桩穿过地基结构中的土层，以此增强桥梁整体结构的稳固性。

2）抗震设防时，还应加强桥梁建设中的基础规划，科学选择施工场地。若场地内的土质较为特殊，属于松软地层，相关人员还应进行地基处理。

3）基础抗震设防时，还应重视桥梁结构的整体性，以及桥梁上部结构的连续性，避免出现桥梁构件脱落。同时，相关人员应分别从平面设计、立面设计等方面优化桥梁结构布置方案。

4.2.2 科学布设桥梁支座

桥梁结构抗震设计中，支座设计与布置方法会直接影响桥梁抗震设防效果。为提升桥梁结构的抗震性能，应科学布设桥梁支座，合理选择桥梁支座形式，同时优化支座布局。需要注意的是，桥梁结构抗震设计中，设计人员应避免选择相同的支座类型，而是应根据桥梁结构上地震作用的分布情况，计算各个桥梁支座需承担的水平、垂直压力，然后根据具体的数值选择桥梁支座。

4.2.3 优化下部结构设计

1）通过在桥台胸墙结构中增设配筋、将弹性垫块设置在桥台胸墙和梁结构中间等方式，缓解地震对桥梁结构造成的损害，确保桥梁结构抗震设计的可靠性。若桥址处存在软土地基、液化地基时，还应通过替换不良土层的方式提供桥台基础结构的稳定性。然后结合实际情况增加桥梁长度、控制桥台高度，保障桥梁的整体稳固性。

通常情况下，桥梁抗震设防期间，桥台高度应＜8 m，且处于地势平坦、地质条件好、与主沟槽位置远的区域。桥梁基础条件较好时，桥台可设计为U形、箱形桥台、T形桥台，这类桥台的整体性较强，符合桥梁抗震设计要求。布设桩柱形桥台时，应采用埋置的处理方式，并通过开挖、钻孔的方式增加桥台底部填土密实度，保障桥梁结构抗震设防的整体效果。

2）通过桥墩结构延性设计，对桥梁结构进行减震处理。例如，设计桥梁高墩时，将高墩设计为空心墩，必要时可通过增加桥柱直径，使用双排柱式桥墩，设置横系梁的方式，使桥梁结构具有较强的抗剪强度和抗弯延性。

3）布设桥梁墩台顶帽时，应采取相应的防落梁措施。最不利受力墩应采用塑性铰、减震隔离支座。

4）对桥梁上部结构进行抗震设防时，可在桥梁底部布设焊接钢板，或使用约束设备限制横向、纵向结构的位移。在此基础上，还应灵活连接桥梁的梁体结构与墩帽，比如，用锚栓连接桥梁上下部结构。为使桥梁上部结构位移符合抗震设计要求，桥梁梁端、墩台帽、盖梁边缘、挂梁、悬臂搭接长度都应考虑到桥梁基本位移分线。对于大跨径桥梁，设计人员采用连续梁，增强桥梁上部结构的抗震设防能力。

5）针对桥梁节点结构进行抗震设防。结合桥梁结构震害表现可知，桥梁的节点结构在受到外部作用力后，易产生开裂、折断、位移等损害，且无法及时修复，因此，影响桥梁安全性能和稳定性。为避免节点结构导致桥梁结构性能受损，设计人员应在抗震设防时，不断增强桥墩、梁、桥梁节点的承载力和延性，避免节点处在地震作用产生后第一时间被破坏。

4.2.4 合理设计桥梁构件

1）加强对桥梁结构、构件的强度控制是桥梁工程抗震设防的重要措施。相关人员应结合桥梁结构设计分析桥梁结构各个构件在地震作用下产生的振动能量，结合其抗震设防设计要求，选择构件材质。

2）应布设减震装置，采用符合当前设计状况的大尺寸网格梁结构，对桥梁结构进行防落梁处理。另外，桥梁应尽量等跨布置，用构造简单的梁部结构，减轻桥梁结构的自重，以此减少桥梁结构的损伤。

5 结语

综上所述，地震属于常见地质灾害，会在桥梁工程运营期间给通行人员造成不可预估的损害。在桥梁工程的设计阶段，相关人员应结合桥梁抗震设计规范、抗震等级加强桥梁结构抗震设计，用可靠的抗震设计方法，增强桥梁工程抗震性能，使桥梁结构的强度、抗震能力、延性符合公路桥梁安全运行需求，为我国公路桥梁建设事业的可持续发展提供基础保障。