桥梁设计中抗震设计的要点分析

【摘要】桥梁工程抗震设计是当今桥梁设计的热点研究问题，桥梁抗震设计应坚持“最强设计原则”。本文首先分析了桥梁结构地震的破坏形式及其原因，在此基础上提出了桥梁抗震的设计原则，并就桥梁抗震的设计要点进行了重点分析，为今后桥梁设计提供了借鉴和帮助。

【关键词】桥梁工程；抗震设计；要点

1 桥梁震害破坏形式及原因分析

1.1 桥梁破坏形式

对国内外桥梁震害的调查表明，上部结构震害主要表现为落梁移位，局部碰撞。下部结构存在桥墩折断，混凝土剥落，系梁开裂，挡块普遍失效，桥台翼挤开裂、倾斜等震害现象。另外，桥梁附属支座移位与变形，伸缩缝张开和挤压，护栏开裂的现象也非常普遍。

1.2 桥梁震害原因分析

桥梁震害是多种因素综合作用的结果，主要有：

（1）地震作用对桥台和桥墩等薄弱部位的破坏

桥台是桥梁两侧岸边的支撑部分，一般是在岸边的原域填土上，用钢筋混凝土修建三角形或矩形的支台，这是地震作用的薄弱部位，因为桥台的路基高且三面临空，振动大，桥台和下面土的刚度不同，有相互作用，土体本身在地震中会产生液化，震陷破坏，桥台受地震的振动或场地砂土液化影响，填土滑移，滑移土体对桥台产生巨大推力，致使桥台发生破坏。桥墩是支撑桥身的主要构件，其震害主要包括桥墩的断裂，剪断和裂缝，另外还有因桩柱埋入深度不够等原因遭受破坏。

（2）支座破坏

支座破坏是桥梁上部结构中最常见的一种破坏现象。在地震力的作用下，由于支座设计没有充分考虑抗震要求，构造上连接与支挡等构造措施不足，或由于某些支座形式和材料上的缺陷等因素，导致了支座发生过大的位移和变形，从而造成如支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等，并由此导致结构力的传递形式的变化，进而对结构的其他部位产生不利的影响。

（3）地基失效造成的破坏

地震中大部分桥梁倒塌是由于地基失效和砂土液化造成的。

砂土液化通常是指饱和粉细砂，在地震的作用下失去抗剪能力，变为流动状态。由于桥址地基失去承载力，使得位于上部土层的桥墩倾斜、滑移、危害不小。在强震作用下，土体结构被扰动，强度降低，孔隙水压力增大，从边界排出，软粘土被压密，发生软土震陷，产生不均匀沉降，这种不均匀沉降引起内力重分布可导致结构特别是超静定结构破坏乃至倒塌。

（4）构造措施不当等原因引起破坏桥梁结构的震害还表现在如结构构造及连接不当造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成桥台沉降或斜度过大造成桥墩台承受过大的扭矩而引起的破坏等。

2 桥梁工程抗震设计原则

抗震设计要求的是设计出来的结构在强度、刚度和延性等指标上有最佳的组合，并最终达到经济的实现抗震设防的目标。

2.1 体系的整体性和规则性

桥梁的整体设计性要好，上部结构应尽可能是连续的。较好的整体性是结构发挥空间作用的基本条件，同时也能防止结构构件及非结构构件在地震时被震散掉落。总之，无论是在平面还是在立面上，结构的布置都要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称，以免突然出现变化。

2.2 场地选择

桥梁工程抗震设计所选择的场地应该考虑一个地区内的场地选择，可以根据地震危险性来具体选择一个比较安全的厂址。此外，为了避免地震时可能发生地基失效的松软场地，必须选择坚硬场地。

2.3 能力设计原则

能力设计思想所强调的是强度安全度差异，也就是在不同构件和不同破坏模式之间确立不同的强度安全度。强度及安全度之间存在着差异，因此要确保结构在大地震下以延性形式反应，不发生脆性的破坏模式。过去的建筑抗震设计中，通常采用的是“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想。

2.4 提高结构及构件的强度和延性

桥梁结构的地震破坏主要来源于地震动引起的结构振动，抗震设计应该使从地基传入结构的振动能量为最小，防止破坏。此外，在不改变刚度的前提下，采用提高总体强度和延性是两个有效的抗震途径。地震还可能造成结构和构件周期反复变形，这样就会使其刚度与强度逐渐退化，所以要重视起延性。

3 桥梁抗震设计要点

3.1 选择对抗震有利地段

选择公路工程建设场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况和工程地质的有关资料，做出综合评价，宜选择有利地段，避开不利地段及危险地段。

对抗震有利的地段，一般是指坚硬土或开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等地段；不利地段，一般是指孤突的山梁、高差较大台地边缘、软弱粘性土及可液化土层等地段；危险地段，是指发震断层及其邻近地段和地震时可能发生大规模滑坡、崩塌等不良地质地段。

路线与桥位宜绕避下列地段：地震时可能发生滑坡、崩塌地段；地震时可能陷塌的暗河、溶洞等岩溶地段和已采空的矿穴地段；河床内基岩具有倾斜河槽的构造软弱面被深切河槽所切割的地段；地震时可能倒塌而严重中断公路交通的各种构造物。

对河谷两岸在地震时可能发生滑坡、崩塌而造成堵河成湖的地方，应估计其淹没和堵塞体溃决的影响范围，合理确定路线的标高和选定桥位。当可能因发生滑坡、崩塌而改变河流方向、影响岸坡和桥梁墩台以及路基的安全时，应采取适当的防护措施。

3.2 确定合理的桥梁结构方案

在确定路线的总走向和主要控制点时，应尽量避开基本烈度较高的地区和震害危险性较大的地段；在路线设计中，要合理利用地形，正确掌握标准，尽量采用浅挖低填的设计方案以减少对自然平衡条件的破坏。

对于地震区的桥型选择，宜按下列几个原则进行：尽量减轻结构的自重和降低其重心，以减小结构物的地震作用和内力，提高稳定性；力求使结构物的质量中心与刚度中心重合，以减小在地震中因扭转引起的附加地震力；应协调结构物的长度和高度，以减少各部分不同性质的振动所造成的危害作用；适当降低结构刚度，使用延性材料提高其变形能力，从而减少地震作用；加强地基的调整和处理，以减小地基变形和防止地基失效。

（3）震害调查表明，梁桥的震害主要发生在下部结构，桥墩在纵、横向水平地震力作用下，会发生剪切破坏或弯曲破坏，使得墩身错位倾斜，导致落梁现象，引起桥面垮塌。桥台背后土体易在地震作用下失稳，推动桥台向河心滑移，并伴有沉陷和倾斜，梁体沿纵向挤压桥台，重则支座剪坏桥台断裂，造成边跨落梁桥面坍塌。桥梁支座在地震力作用下，破坏形式主要表现为支座锚栓剪断、活动支座脱落、支座连接破坏等，支座破坏常常导致落梁。震害资料同时显示，梁桥上部结构一般具有良好的抗震性能，震害主要是梁端撞损、梁片分离等，不影响梁的承载能力，震后也不难修复。

因此，按照《公路抗震规范》规定，在梁桥抗震验算时，应分别考虑顺桥和横桥两个方向的水平地震作用[ 注] 计算墩台和支座承受的水平力以及地震动力水压力，并应考虑顺桥方向桥台的水平地震力和地震土压力。而对于简支梁和连续梁桥上部结构的抗震能力一般不予验算，但应采取抗震构造措施。

参考文献：

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[2] 易卫，曹赟干. 大跨度桥梁抗震设计要点分析[J]. 交通建设与管理，2014（18）：144-146.

[3] 庄泳浩，刘芳. 公路桥梁结构的抗震设计要点分析[J]. 中国市政工程，2011（04）：17-19+22+88.

作者简介：

岳振威（1990.06—）男 汉族

籍贯：河南省南阳市

学历：研究生

研究方向：桥梁工程

工作单位：河南省交通规划设计研究院股份有限公司