桥梁抗震理论与设计方法

桥梁抗震理论与设计方法

苗慧磊

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津，300000）

摘要：本文地震对桥梁的危害现象进行了分析，阐述了桥梁抗震设计的基本原则，探讨了桥梁抗震设计的方法。

关键词：桥梁；抗震；原则；方法

中图分类号：         文献标识码：A

  引言

随着经济建设步伐的加快, 抗震防灾日趋重要。桥梁是交通的枢纽, 在国家建设中起着举足轻重的作用,而在地震发生后为了紧急救援和抗震救灾的需要, 其重要性就更为明显。因此, 作为桥梁工程的抗震设计与研究便成为重中之重, 各国学者对桥梁结构的减震进行了广泛、深入的研究。

一、地震对桥梁的危害现象分析

1、地基与基础震害

地基与基础的严重破坏是导致桥梁倒塌，并在震后难以修复使用的重要原因。地基破坏主要表现为砂土液化、地基失效、基础沉降和不均匀沉降破坏及由于承载力和稳定性不够，导致地面产生大变形，地层发生水平滑移、下沉、断裂。

2、桥台位移、沉陷

地震时，桥台与台后填土是不完全固结的。填土的纵向土压力增大，桥梁与桥台之间的冲撞产生相当大的被动土压力，造成桥台有向桥跨方向移动的趋势。又由于桥面的支撑，桥台将发生以桥台顶端为支点的竖向旋转，导致基础破坏。建造在液化土上的桥台还可能垂直沉陷。

3、墩柱破坏

墩柱破坏的主要表现形式有：弯曲强度不足、弯曲延性不足、纵筋搭接区的抗弯能力以及剪切强度不足等。墩柱的破坏往往引起一系列的连锁反应，如落梁、整个结构的倒塌等。而落梁对墩台侧壁的撞击又对下部结构造成新的破坏。

4、盖梁破坏

不论是悬臂结构的盖梁，还是两端刚结于柱的盖梁，破坏形式主要表现为抗剪强度不足或锚固筋不能满足抗拉要求，从而引起锚固端破坏。

5、支撑连接构件破坏

支座、伸缩缝和剪力键等连接件在外力作用下最易受损，是桥梁整体抗震性能上的一个薄弱环节。地震时，如果上、下部结构的相对位移过大而超过支座的变形能力或支承面宽度，或超出梁间纵向约束装置的强度，将导致锚固螺栓拔出或剪断，支撑连接构件失效。还可导致支座附近混凝土发生裂缝、活动支座脱落等现象。

6、结点破坏

桥梁结点区域钢筋大量相交，在施工上总是一个薄弱环节，地震时结点区域应力复杂而有变化，常导致结点区域混凝土的压碎和锚筋的破坏，一旦受损将难以修复。

二、桥梁抗震设计原则

1、桥梁抗震设计，应结合地形、地质条件、工程规模及震害经验，选择合理的桥型及墩台、基础型式。

2、同一座桥中尽量避免高墩与大跨的结合，桥梁宜采用减少上部结构自重并有利于抗震的结构形式。

3、桥梁宜体形简单、自重轻、刚度和质量分布均匀、重心低、便于施工。大跨度钢桁梁、空心桥墩是地震区桥梁设计的重点。

4、桥梁宜采用有利于提高结构整体性的连接方式，墩台结构采取提高其延性、震动衰减快的相关措施。

5、桥梁宜尽可能采用技术先进、经济合理、便于修复加固的结构体系。

三、桥梁抗震设计方法

1、总体设计中应注意的问题

(1) 桥位选择

选择桥址时，桥梁位置应选在良好和稳定的地段，如果必须在稳定性差的软弱场地上时, 应尽量采用桥梁中线与河流正交，斜交地震时易产生河岸向河心滑移, 使桥梁随之发生错动或扭转破坏。拱桥应尽量避免跨越断层。

(2) 桥型选择

桥梁应结合地形、地质条件、工程规模及震害经验, 选择合理的桥型及墩台基础型式。宜尽可能采用技术先进、经济合理、便于修复加固的结构体系。

(3) 桥孔布置

桥孔宜选用有利于抗震的等跨布置, 并尽量避免高墩与大跨的结合。宜体形简单、自重轻、刚度和质量分布均匀、重心低、便于施工。位于地震后可能形成泥石流沟谷上的桥梁, 孔跨和桥下净高宜根据流域内的地形地质情况酌情加大。

2、基础处理

对于不良地质，可以根据不同的具体地质情况采用不同的方法进行处理。对于岩层较浅的地方，采用较大扩基或固定在基岩上。对于地基软硬不均，或砂层较厚地下水位较高地区要适当增加桥长，合理布孔，使桥墩、桥台避开地震时可能发生滑动的岸坡或地形突变的不稳定地段。或采用深桩、排桩穿过液化层，并采用系梁、承台等加强联结，或减轻结构自重，在非冲测线下一米处，设置围裙或条形基础，加大基础基底面积、减少基底偏心，并适当增加埋置深度。换土或采用砂桩也是一种常用的方法。

3、桥墩处理

对于大桥，为了防止桥面在地震时上抛，落下砸坏桥墩台，一般用高强螺栓或预理钢筋将桥梁及墩台联结起来。对于中小桥，可在支座处安放弹簧或橡胶支座等进行缓冲。

4、桥梁抗震构造措施

(1) 对常规的简支桥梁结构应加强桥面的连续构造, 以及需提供足够的加固宽度以防止主梁发生位移落梁, 另外还应适当的加宽墩台顶盖梁及支座的宽度, 并增设防止位移的隔挡装置。对采用橡胶支座而无固定支座的桥跨, 应加设防移角钢或设挡。

(2) 使跨度相等、每联连续跨内下部墩身刚度相等，对各墩高度相差较大的情况可采用调整墩顶支座尺寸和桩顶设允许墩身位移的套筒来调整各墩的刚度, 以便使之刚度尽量保持一致。震区桥跨不宜太长。

(3) 对高烈度区的桥梁设计应在纵向设置一定的消能装置, 如采用减隔震支座, 以及在梁体和墩台的连接处增加结构的柔性和阻尼以便共同受力和减小水平桥梁荷载。

(4) 由于拱桥对水平位移十分敏感, 而两边桥台的非同步激振会引起较大的反应, 甚至会大于惯性力所引起的动力反应, 因此要求震区的拱桥墩台基础务必设置于整体岩盘或同一类型的场址。

(5)采取减轻上部荷载等相应措施,以防止地震引起动态和永久的不均匀变形。在可能发生地震液化的地基上建桥时, 应采用深基础, 使桩或沉井穿过可能液化的土层埋人较稳定密实的土层内一定深度。并在桩上部1~ 3 m 范围加强钢筋布设。

(6) 墩柱设计应尽可能使用螺旋箍筋, 以便为墩柱提供足够的约束。墩身及基础的纵向钢筋伸入盖梁和承台应有一定的锚固长度以增强连接点的延性，桥墩基脚处应有足够的抵抗墩柱弯矩与剪切力的能力。

(7) 采用将桥墩某些部位设计成具有足够的延性, 以使在强震作用下使该部位形成稳定的塑性铰, 并产生弹塑性变形来延长结构的振动周期, 耗散地震。

(8) 采用上部结构和桥墩完全连接的刚构体系, 并且桩尖穿过可液化层达到坚硬土层上, 由于结构的超静定次数增大和坚实的桩尖承载能力的保证, 减少了由于土壤变形而失效的可能。

综上所述, 目前地震虽然不可控制, 但只要加强对桥梁震害及抗震机理的深入研究, 制定先进的抗震设防原则, 采取科学有效的抗震设防措施, 严格控制工程质量, 就能将地震灾害降到最小, 确保交通运输的畅通。

参考文献：

[1] 贡金鑫,张勤,王雪婷.从汶川地震桥梁震害看现行国内外桥梁的抗震设计方法(一)——抗震设防标准与地震计算[J].公路交通科技,2010,27(09):44-54.

[2] 朱晞,江辉.桥梁墩柱基于性能的抗震设计方法[J].土木工程学报,2009,42(04):85-92.

[3] 刘蕾蕾.混凝土梁式桥典型震害及抗震措施研究[J]. 西南公路. 2008(04)

[4] 惠迎新,何文杰.延性设计在欧洲桥梁抗震设计规范中的应用研究[J].公路,2016,61(01):113-117.

[5] 罗志坚,李木荣.桥梁抗震的构造措施[J]. 中国新技术新产品. 2009(24)

[6] 包绍伦,余培玉.欧洲桥梁抗震设计及计算方法[J].公路,2008(09):205-209.

[7] 王文胜.桥梁的抗震设计措施[J]. 中国新技术新产品. 2010(16)