公路桥梁结构抗震设计要点分析

吴小念

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730000）

桥梁通常是作为轨道的核心控制项目而建的，一旦损坏或塌陷为轨道的核心节点，就会直接麻痹线路所在的线路，其重要性不言而喻。如何使桥梁正常履行其工程职能，特别是其承受极端条件的能力，是桥梁设计者应考虑的最重要问题。地震是常见的自然灾害之一，对工程师来说也是不利条件。地震是突然发生的，其特征是强大的破坏力和广泛的破坏面积。没有目标设计，桥梁将无法承受灾难的破坏，并可能失去其使用能力。1976 年唐山地震造成的破坏震惊了世界，并给桥梁研究人员提出了新的问题。在国家的大力支持下，中国的桥梁地震研究已经取得了数十年的丰硕成果，与国外基本处于同一水平线上。

1 桥梁地震破坏机理

通过对地震破坏桥梁的损伤识别分析的结果，可以看出，由侧向地震波引起的桥梁各部分之间的压缩和碰撞导致的破坏是桥梁地震破坏的重要原因。众所周知，桥由连接在一起的几个部分组成。当桥梁承受强大的侧向力时，诸如轴承和横向铰链之类的连接部件会导致横梁向侧面移动并与相邻横梁发生碰撞，从而损坏接头。桥面铺面被损坏，桥区因冲击而损坏，从而导致严重的光束下降和桥梁运输功能的丧失。另外，地震使下面的土壤松散，破坏了基础并失去了支撑功能。

2 常见的桥梁地震破坏

根据国内外对地震灾害的研究，发现如果地震地区的桥梁倒塌，会对救灾渠道造成巨大阻碍，并且在灾后还要对其进行修复。研究桥梁结构发现地震破坏并找出其缘由，可以做出准确的地震设计的内容和防震的对策。因此，研究桥梁结构在先前的破坏性地震中的生存或破坏可以优化桥梁设计并改善施工方法。典型的桥梁地震破坏包括：

（1）主梁的地震破坏在最初的破坏性地震中，最严重的现象是梁的跌落，并且该梁在桥梁方向上的跌落大于横向。主梁地震破坏主要是自震破坏、位移破坏、碰撞破坏等。

（2）支撑件的地震破坏，在防震过程中忽视支撑物的重要作用，没有科学地设计连接桥梁，则支撑物容易移动或掉落，并可能引起诸如落梁之类的损坏。

（3）基台的地震破坏移动基台位置时，桩基会同时移动、破裂或断裂。

（4）地基地震破坏，土壤滑移和砂土液化是地基膨胀和桩基地震破坏的主要原因。桩基会导致弯曲和剪切破坏，这主要是由于上部结构和设计传递的惯性力造成的。

3 桥梁地震研究现状

根据桥梁本身的特点和桥梁地震的破坏机理，桥梁的地震研究主要集中在以下几个方面：

（1）桥梁混凝土材料损伤本构模型。混凝土材料的研究是桥梁研究的重要方面，尤其是抗震性。实际上，地震的作用将使桥梁受到强大的外力干扰，位移将超过极限，从而导致结构损坏。根据混凝土材料的特性，建立了对应于弹性模态和塑性模态的两种构造模型进行分析。

关于弹性损伤模型，专业人员通过引用两个实验测量的损伤变量建立了弹性损伤模型。也就是说，对于同时具有弹性变形和塑性变形材料的弹性塑性损伤构造模型，技术人员提出了基于连续损伤的应力-应变模型，提出了构成混凝土的纯粹凭经验的非弹性损伤。从理论上讲，吴建英等人介绍了损伤能量释放率的概念。这些模型对于研究塑性破坏阶段混凝土材料的破坏行为非常有用，但是并不能消除由于破坏而导致的材料特性变化所引起的误差。

（2）钢筋混凝土墩的抗震性能及分析模型。墩是墩基础的一部分，在压力下具有出色的抗压性，但是当受到地震影响时，墩可能会由于剪切力或塑性铰链损坏而偏心，或者削弱了基础土壤的稳定性。基于这些破坏模式，技术人员研究了具有低纵向钢筋比率圆柱的抗震性能，在轴向力和弯曲的相互作用下构造了墩的地震模型，并在这种情况下准确地计算了墩的非线性性能。

（3）桥梁结构地震分析理论与设计方法。桥梁的基于位移的抗震设计理论以位移为设计变量，根据区域和安全等级确定桥梁只能在特定区域位移，并根据该标准进行结构设计。相关技术人员最初提出了这种设计方法，后来桥梁工人对其进行了一定程度的改进，并建立了更加科学合理的理论。

在基于性能的桥梁抗震设计理论中，桥梁必须能够承受一定程度的地震冲击，并且不能超过可接受的破坏程度。主要意图是以最低的成本获得最佳的抗震效果。根据桥梁的等级和路线的重要性将其分类为重要性，并据此确定地震等级。

（4）桥梁防震技术。桥梁的主要减震隔离设施是减震隔离轴承，其与普通轴承的不同之处在于，具有良好的韧性，可以充分吸收地震力的能量而不会造成损坏，可以作为连续支撑。随着材料科学的不断发展和对地震破坏的全面理解，桥梁工人开发了一些性能优异、适用范围广的地震轴承，可归纳为以下两类：叠层钢板橡胶轴承；滑动摩擦式减震轴承。

（5）桥梁结构脆弱性分析。结构脆性是指零件在外力作用下达到或超过一定程度破坏的可能性，而本研究的目的是了解某种程度的地震所破坏的某种结构的破坏特征。该结构可以有针对性地得到加强。评估结构漏洞需要进行初步调查，数据处理和相互比较，以获得更准确的结果。但是，这种分析方法有几个缺点，例如不能准确地模拟地震破坏，桥梁性能恢复不足，无法研究不规则桥梁以及不考虑支撑物的张力。但是，由于现实的复杂性，尚未研究如何使用这些结果来优化地震设计。

4 桥梁抗震设计理论

与发达国家相比，中国桥梁的地震分析理论始于20世纪50 年代。针对以往地震破坏进行分析，我国借鉴了国外优秀的抗震设计要点以及技术，根据本国的具体情况进行仔细钻研，使地震结构设计的水平得到了很大的提高，对抗震的设计方法也不断创新，并进行了较为完善的研究，使抗震系统设计的实践能力得到提高。

4.1 桥梁结构的地震系统

桥梁结构的地震系统必须具有清晰可靠的位移约束力，传递路径和能有效控制位移，防止横梁掉落并具有回避性能的耗能减震部件。由于某些桥梁部件（例如支撑和砌块）的塌陷，具有塌陷结构的能力。

4.1.1 延性地震系统

通过对结构破坏的观察，提出了延性抗震的概念。在实际的地震破坏中，已经观察到缺乏结构强度并不一定会对结构造成严重破坏，并且只要结构的初始强度不会因非弹性变形而劣化并且基本上保持初始强度，就不会破坏结构。既有桥梁的弹塑性消能部分可以安装在墩中，以达到地震系统的目的，并便于检查和维修墩的受损部分。典型的连续梁桥和简单的支撑梁桥是单柱墩，其消能部分位于墩底，而双柱墩则是墩顶、墩底和绑梁端。因此，墩柱和系梁被设计为柔性部件，在弹性内而不会损坏部件。通常延性地震系统适用于大比例墩和桥梁的地震设计。

4.1.2 减震/隔离和地震系统

桥梁结构的地震系统将通过设置地震支撑，防止桥墩结构破坏。可以设计合理的减震和绝缘轴承或耗能设备参数，以可靠地传递桥的上下连接部分，以防止严重损坏桥梁。

4.2 桥梁地震分析方法

4.2.1 静态方法

静态方法的设计通常不会考虑桥梁结构自身动力特性的影响，而桥梁结构地震破坏的唯一因素就是地震加速度。在设计过程中，仅考虑构件的结构静态分析，并且将其视为绝对刚性的对象。如果无法将桥梁结构近似为绝对刚体，则静态方法不会考虑结构的动力特性。因此，静态方法非常有限，但概念简单明了，适用于整体刚度较高的结构（如重力桥台和挡土墙结构）的地震分析。

4.2.2 反应谱法

反应谱法将结构的动态问题转换为易于理解且易于计算的静态问题。响应谱法是该规范的基本地震分析方法，首先仔细分析桥梁结构本身的动力特性，然后使用谱线曲线记录不同主要振动模式下强地震的地震响应最大值，最后记录该最大值。在其他主要振动模式下的地震响应也需要完成，确定桥梁结构的最大地震响应值，而不能获得根据地震而变化的地震。

4.2.3 动态时程分析方法

该方法主要将计算机程序、有限元分析和结构地震分析中的计算相结合。在应用时程分析方法时，通过有限元软件将桥梁结构离散化成一个多节点，多自由度的有限元计算模型，地震加速度的时间和结构的地震响应必须通过有限元软件传输计算，还需要进一步研究，并且存在复杂的理论，例如计算量大的特性和塑料铰链。因此，该方法是桥梁长期地震分析的相对重要、复杂和推荐的方法。

4.3 桥梁抗震设计

在现有支撑的简单桥梁结构的情况下，必须对桥面的连续结构进行加固，主梁的位移必须提供足够的加固宽度以防止梁坠落，并且梁的宽度基台和支撑的顶部必须适当加宽。并增加一个屏障装置以防止移位。对于带有橡胶轴承但没有固定轴承的桥梁跨度，轴承的抗震设计要求增加防偏角或固定导轨。地震带中的桥梁结构的跨度和刚度与每个连续跨度的下墩相同。如果弹簧跨度不均匀且刚度不同，则可能会造成地震损坏。如果每个基台的高度明显不同，则可以使用基台顶部的支撑件和基台顶部的衬套尺寸来调整每个基台的刚度，以便尽可能保持基台的位移。在地震带中，桥梁的跨度不能太长，如果跨度较大，则柱会承受太大的轴向力，从而降低墩柱的延性。在高强度地区设计桥梁时，应纵向安装某些能量消散装置，例如使用收缩和隔离轴承，以通过柔性和阻尼连接结构之间的力来分担梁、柱和水平桥的荷载。拱桥对支座的水平位移非常敏感，为此，需要动态支撑弧在地震带。为了确保在地震期间同时激发每个支撑，必须将基座放置在整个岩石范围内或相同类型的位置。

5 发展趋势

地震对桥梁的破坏越来越严重，大多数遭受较大破坏和坍塌的桥梁结构是由落梁和弯曲延展性不足引起的。因此，期望在未来对该领域进行深入研究，并且延性抗震设计是被广泛采用的设计理念，具有一定的先进性，可以有效地提高桥梁结构的抗震性能。将来，此方法将继续应用和改进。

随着桥梁设计技术和地震技术的发展，有必要考虑各种尺度桥梁位移的设计参数，并根据该参数确定桥梁的地震稳定性。隔震技术是桥梁抗震的主要技术手段。在桥梁的抗震设计中，将通过一项新的技术来证明抗震性能，该抗震性能可以最大化提高桥梁的刚度和抗震性能。

6 结束语

抗震设计作为桥梁安全设计的重要组成部分，经过多年的案例分析和学术研究，已形成了较为成熟完整的理论体系，并应用于实际工程中，取得了良好的预期效果。但是，由于技术和认知上的限制，抗震设计远远不能达到理想的效果，并且在某种程度上可以减少财产损失、人身安全和地震引起的常规干扰。这已成为我们对相关技术进行持续研究的原动力，也是桥梁学术研究发展的原动力。