杜世森

摘 要：隨著橋梁工程建設規(guī)模的擴大，抗震設計面臨全新的要求。不僅需要充分應用抗震理念，而且需要采取合適的技術，提高橋梁結構的抗震能力。基于此，分析橋梁工程發(fā)生震害的原因、抗震設計理念，并以某橋梁工程為例，對橋梁抗震理念在橋梁設計中的應用進行詳細闡述，希望能為相關工程提供參考。

關鍵詞：路橋工程;抗震理念;地震

中圖分類號：U442.55 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）29-0098-03

Application of Seismic Analysis Concept in Bridge Design

DU Shisen

（Xinyang Xintong Highway Survey and Design Co.， Ltd.， Xinyang Henan 464000）

Abstract： With the expansion of bridge construction scale， seismic design is facing new requirements. It is not only necessary to make full use of seismic concept， but also to adopt appropriate technology to improve the seismic capacity of bridge structure. Based on this， this paper first analyzes the causes of earthquake damage and seismic design concept of bridge engineering， and takes a bridge engineering as an example to elaborate the application of bridge seismic concept in bridge design， hoping to provide reference for related projects.

Keywords： road and bridge engineering;seismic concept;earthquake

地震是一種較為常見的自然災害。高級別地震不僅會導致人員傷亡，還會對地面建筑物造成嚴重破壞。無論是道路還是橋梁，受地震的影響，均會發(fā)生結構斷裂、塌陷的情況，對交通運行造成嚴重影響，同時阻礙社會經濟的發(fā)展。所以，提高道路橋梁工程的抗震能力十分必要。設計階段需要充分利用抗震理念，有效提升工程抗震性能，為人們的安全出行提供保障。

1 橋梁工程震害及原因

1.1 基礎破壞

受地震的影響，橋梁易出現不同程度的損害，主要包括基礎變形、位移、沉降、扭曲及開裂等。地震中多數倒塌與基礎失效、砂土液化關系密切。砂土液化主要指飽和粉細砂不具備原有的抗剪能力，處于流動的狀態(tài)[1]。基礎破壞主要包括剪切破壞和彎曲破壞。如果橋梁截面剪切彎矩超過自身強度，截面便會出現裂縫。在地震荷載的作用下，橋梁結構易發(fā)生變形，變形嚴重時將導致橋梁混凝土脫落、內部混凝土崩裂及鋼筋屈服等，造成橋梁結構承載能力下降，引發(fā)彎曲破壞。如果地基承載力下降，上部土層的橋墩也會發(fā)生程度不一的傾斜、滑移等。如果地震的強度較大，土體結構也會發(fā)生變化，強度下降，引發(fā)不均勻沉降。如果內力重新分布，將會導致結構塌陷，不但會阻塞河流，而且會導致水位上升。此外，樁柱埋入深度不足也會導致橋墩受損[2]。

1.2 墩柱破壞

墩柱抗彎破壞的主要原因是延性不足，橫向約束箍筋配置不足，間距過大，搭接失效，縱筋過早切斷。墩柱剪切破壞的主要原因是抗剪強度不足，橫向箍筋配置不夠。

1.3 支座破壞

在橋梁抗震減傷的需求方面，支座的設計未得到設計人員的充分重視。在橋梁結構中，連接與支擋之間的構造措施不足。同時，橋梁建設過程中多存在支架材料質量不佳、型號不符等問題，對抗震效果造成了嚴重影響。如果支座失效，導致梁體間或梁、墩臺間位移較大，將引發(fā)伸縮縫、擋塊破壞甚至落梁。

2 路橋抗震設計理念

我國路橋抗震設計主要是在日本、美國等發(fā)達國家設計規(guī)范的基礎上進行適當延伸而形成的。從目前我國的具體情況出發(fā)，考慮到公路橋梁的重要性和在抗震救災中的作用，本著確保重點和節(jié)約投資的原則，對不同橋梁要求不同的抗震安全度。具體來講，將公路橋梁分為A、B、C、D這4個抗震設防類別，并按抗震設防類別確定不同的設防標準和設防目標?！豆窐蛄嚎拐鹪O計規(guī)范》（JTG/T 2231-01-2020）規(guī)定，E1地震作用下，各類橋梁要在彈性范圍工作，結構強度和剛度基本保持不變。E2地震作用下，A類橋梁局部可發(fā)生開裂，裂縫寬度也可超過容許值，但混凝土保護層應保持完好，因為地震過程的持續(xù)時間比較短，地震后，在結構的自重作用下，地震過程中開展的裂縫一般可以閉合，不影響使用，而結構整體反應還在彈性范圍。B類、C類橋梁在E2地震作用下要求不倒塌，且結構強度不能出現大幅度降低，鋼筋混凝土橋梁墩柱抗彎承載能力降低幅度不應超過20%。E2地震作用下采用延性抗震設計，并引入能力保護設計原則，確保結構具有足夠的延性變形能力，即結構的延性變形能力應大于延性變形需求并有適當的安全儲備。通過能力保護設計，確保塑性鉸只在選定的位置出現，并且不出現剪切破壞等破壞模式。

由于地震發(fā)生的隨機性，它對橋梁結構的作用也具有隨機性。按照地震烈度及規(guī)范規(guī)定計算地震作用、進行結構強度驗算，并不能保證結構絕對安全。如果結構方案不合理，構造措施不當，結構抗震性能是無法達成計算所假定的效果的。這就需要在設計過程中尋找最優(yōu)的抗震設計方案，以達到抗震設防目標。

第一，選擇合適的橋位和橋型。在場地地質條件不連續(xù)、地震時地基可能產生較大相對位移的地段，不宜修建拱橋。在液化場地或軟弱土層場地，橋梁基礎應穿過液化土層或軟土層。

第二，橋梁應盡量采用對稱的結構形式和均勻的布置方案。

第三，梁式橋一聯內各橋墩的剛度不宜相差太大。

第四，多聯梁式橋相鄰聯的基本周期不宜相差太大。

第五，梁式橋一聯內各橋墩剛度相差較大或相鄰聯基本周期相差較大時，宜采用適當的方法進行調整。

第六，梁式橋的矮墩不宜設置固定支座，宜設置活動支座或板式橡膠支座。

第七，普通橋梁宜選擇完全延性結構，以獲得最佳的經濟效益。一些關鍵橋梁通常不宜采用完全延性結構，而應當選擇有限延性結構或完全彈性結構，以獲得較佳的抗震性能。對結構破壞可能引起社會動蕩、造成嚴重經濟損失（包括直接經濟損失和間接經濟損失）或為國防、救災提供緊急車輛通行的關鍵性橋梁，則宜選擇完全彈性結構進行抗震設計，以保證結構在小概率發(fā)生地震的作用下也能保持正常使用功能。

第八，一般的延性抗震橋梁選擇塑性耗能機制，即選擇結構中預期出現塑性鉸的位置。在選擇塑性耗能機制時應遵循能量準則，以獲得最優(yōu)的耗能機制，并盡可能使預期的塑性鉸出現在易于發(fā)現和易于修復的結構部位。

3 抗震理念在路橋設計中的應用

以某工程為實例展開分析。該橋梁位于一級公路上，抗震設防類別為B類。

3.1 設計過程

3.1.1 明確參數。該橋梁工程抗震設防類型為B類，烈度為7度。場地類型為Ⅱ類，抗震措施等級為3級，E1地震作用重要性系數為0.43，E2地震作用重要性系數為1.30，抗震重要系數為0.43，特征周期為0.4 s，加速峰值的大小為0.1g（g為重力加速度）。

3.1.2 抗震結構計算。以單柱墩作為抗震設計的分析對象。通過分析，能夠得到支座頂面的縱向地震作用力和上部結構受到橫向地震的作用力，明確各自對應的水平位移情況，掌握橫橋向和順橋向的地震作用[3]，最后根據永久作用效果計算彈性狀態(tài)橋墩的強度值，明確橋墩柱的縱筋配置情況。

3.1.3 主要構件設計。對橋梁工程來說，墩柱和樁基是承受地震的關鍵構件。設計時，設計人員需要認真計算各結構的強度。明確樁基礎強度后，將E1地震作用作為設計的重要基礎，然后計算配筋率。在材料標準強度、最不利軸力的情況下，計算橋梁方向極限彎矩值。根據對應的剪力值和軸力值，對樁基的組合與直徑進行合理設計，進而確保樁基礎保持彈性狀態(tài)，以便計算承載力。如果存在與標準不符的問題，要增加配筋率或者樁基。驗算墩柱抗剪強度的過程中，以E1地震作用為基礎合理設計彈性，在E2地震下進行延性設計，同時對墩柱、蓋梁及基礎等進行保護設計，計算橋梁、配筋率等相關的極限彎矩值。

3.2 抗震設計方法

3.2.1 合理選擇墩柱截面。墩柱截面和橋梁的抗震能力關系密切，在保證上部結構、墩柱高墩保持一致的前提下，選擇4個不同的截面尺寸。E1抗震結構的計算結果如表1所示。

通過分析數據可知：如果橋梁的墩高、橋寬及跨徑機構明確，使用較大的截面，在實際設計階段會導致結構中墩柱縱向配筋的數量增加，造成彎矩值增加，對應的基礎構件尺寸變大;如果使用小斜面，抗彎強度難以達到規(guī)范要求。所以，在實際設計階段需要提高截面配筋率[4]。截面較大或者較小都難以滿足設計要求，需要進行合理的假定驗算，并在驗算的基礎上明確最終使用的截面大小。

3.2.2 合理選擇固定支座。對一聯橋梁來說，特別是和橋臺連接的一聯，結構中的固定支座盡量不要選擇矮墩，這主要是因為矮墩的剛度較大，容易對結構抗震性能造成影響。鉛芯橡膠支座具有良好的抗震效果，能夠有效減少主梁的相對殘余位移。

3.2.3 邊梁端設計。在實際設計階段，需要確保邊梁端和墩柱的邊緣保持合理的距離，避免地震過程中橋梁發(fā)生縱向落梁[5]。為了能夠有效預防橫向形變，需要在上部結構與橋梁相連的位置設置鋼筋混凝土橫向限位擋塊。采用這一方法，能夠有效避免地震災害導致的水平位移，進而減少落梁風險。

3.2.4 單柱墩底塑性鉸區(qū)設計。單柱墩底塑性鉸區(qū)的密度較高，對長度進行設計的過程中需要根據墩柱截面長邊尺寸或者墩柱高的20%進行選擇，并比較兩個數值，選擇其中較大的數值作為加密長度。加密箍筋的最合適間距為0.1 m。

3.2.5 承臺和獨柱墩下結點的連接設計。對該部位進行設計的過程中，需要確保墩柱垂直配筋和橫向箍筋的連續(xù)性。在實際設計過程中，需要將墩底縱向柱鋼筋延伸至承臺的底部位置。圖1為設計示意圖。

在進行路橋抗震設計時，不僅需要做好基礎工作，還需要不斷更新設計理念。我國路橋抗震設計規(guī)范缺乏對國內橋梁與國外橋梁結構傳力系統(tǒng)差異性的關注，未對傳力路徑的差異展開針對性分析，因此不利于全面掌握路橋的實際情況。我國多數橋梁的下部結構為橋墩，日本等國家使用鋼支撐，因此在抗震設計中存在一定的問題。此外，傳力路徑方面在規(guī)范和設計中也存在明顯的差異。所以，在實際設計階段，需要充分結合工程的具體情況進行設計。如果發(fā)生大地震，需要允許橋梁發(fā)生一定程度的損壞，如結構中的支座受損。該過程能夠消耗地震形成的大量能量，具有保護墩柱的作用[6]。橋梁結構的支座具有一定的保險作用，對提高工程抗震能力具有積極作用。在實際設計階段，可以適當利用上部結構和支座之間形成的摩擦消耗一定的能量，最大程度上減少地震對樁基造成的影響[7]。

4 結語

抗震性能是評估橋梁工程安全性能的一項重要指標，因此在進行橋梁設計過程中要積極使用抗震理念，有效提高工程的抗震能力。在設計階段，設計人員需要充分結合工程具體情況做好各環(huán)節(jié)的設計工作，從而保障橋梁工程的安全性。

參考文獻：

[1]郭小土.淺談中小跨徑公路橋梁抗震設計理念[J].建筑工程技術與設計，2018（23）：1121.

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[4]肖飛.公路橋梁抗震設計規(guī)范的分析與研究[J].黑龍江交通科技，2017（11）：104.

[5]郭高潔.橋梁抗震與抗風設計理念及設計方法[J].四川水泥，2016（7）：83.

[6]洪梓翔.試論路橋工程中橋梁的抗震設計要點措施分析[J].建筑工程技術與設計，2017（24）：2076.

[7]張明超.探析抗震理念在路橋設計的應用[J].建筑工程技術與設計，2016（6）：958.