戴光亞

（華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京210000）

0 引言

作為我國交通行業(yè)的重要樞紐工程，公路橋梁是基礎(chǔ)建設(shè)中的重中之重。我國在公路橋梁建設(shè)方面投入巨大[1]，其中，抗震及減、隔震一直是橋梁設(shè)計的重點(diǎn)，其目的是全面提升公路橋梁的穩(wěn)定性和安全性，降低災(zāi)害的發(fā)生。一旦公路橋梁的抗震或減、隔震設(shè)計存在不科學(xué)的情況[2]，輕則導(dǎo)致工程失敗，重則直接破壞橋梁工程，給人民的安全帶來巨大危險，甚至造成人員傷亡。所以，針對以上情況，本文探究了公路橋梁設(shè)計中的抗震與減、隔震技術(shù)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和基礎(chǔ)。

2 公路橋梁結(jié)構(gòu)的震害及原因分析

地震對橋梁結(jié)構(gòu)的影響是比較大的，容易導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損壞，使橋梁的質(zhì)量和安全性無法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際工作中，需要加強(qiáng)對橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計和防護(hù)的重視，且需要了解橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)震害的原因。橋梁結(jié)構(gòu)震害包括橋梁振動、場地相對位移變化、產(chǎn)生強(qiáng)制性變形等[3]。在場地運(yùn)動的引力下，會引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動問題。場地的位移也會引起橋梁振動，形成了超靜定內(nèi)力，使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，在地震的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)還會受到不同程度的破壞，出現(xiàn)如橋墩開裂、傾斜等情況，很難有效保障橋梁安全。由于地震的破壞形式不一致，所以對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞程度也存在一定的差異。地震發(fā)生后，橋梁會出現(xiàn)位移，對其各個節(jié)點(diǎn)造成嚴(yán)重影響，節(jié)點(diǎn)的承載力和角度從而發(fā)生變化，會使橋梁本身出現(xiàn)相互碰撞的問題。一部分橋梁還會整體隆起，這主要是由于地震使得橋梁地基周圍土質(zhì)發(fā)生變化導(dǎo)致的。此外，支座和橋墩彎曲，也是橋梁震害常見的表現(xiàn)形式。在實(shí)際工作中，技術(shù)人員需要從多方面入手，加強(qiáng)對橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的優(yōu)化力度，設(shè)置安全防護(hù)措施，提高設(shè)計效果和水平。

2.1 工程案例

2021年5月22日，青海省果洛州瑪多縣發(fā)生7.4級的地震，對該地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)，尤其是交通橋梁造成了巨大破壞，圖1 為野馬灘大橋坍塌現(xiàn)場。

圖1 野馬灘大橋坍塌現(xiàn)場

由圖1 可見，距離震中7km 的野馬灘大橋破壞嚴(yán)重，橋面多處發(fā)生斷裂。已有文獻(xiàn)表明，青海當(dāng)?shù)貥蛄涸O(shè)計的地震烈度為8 度，該次地震烈度并未達(dá)到橋梁地震烈度的設(shè)計值，但橋梁卻發(fā)生了坍塌。本文將圍繞該工程問題分析地震發(fā)生時，橋梁的震害措施。

2.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)的震害

我國是一個多山的國家，發(fā)生地震災(zāi)害的情況較多。地震對橋梁造成的損壞，一部分表現(xiàn)在橋梁的上部結(jié)構(gòu)中，如橋梁出現(xiàn)位移、水泥掉落、支座損壞等，都會造成橋梁整體結(jié)構(gòu)的損壞。其中，墩柱和蓋梁的損壞帶來的影響是最為嚴(yán)重的。

現(xiàn)如今，隨著我國建筑技術(shù)的發(fā)展，在公路橋梁建設(shè)工程中，上部結(jié)構(gòu)的抗震措施已逐漸完善，但不能抵抗所有級別的地震。當(dāng)出現(xiàn)特大級地震或地震伴隨其他自然災(zāi)害時，公路橋梁會出現(xiàn)毀滅性破壞。由汶川地震所引發(fā)的社會災(zāi)害就可以看出，在地震慣性作用下，梁體碰撞會導(dǎo)致橋梁錯位。

地震災(zāi)害帶來的復(fù)雜作用是強(qiáng)烈且明顯的。所以，當(dāng)公路橋梁受到地震作用時，橋梁體制架會在第一時間出現(xiàn)破損，這不僅嚴(yán)重破壞了公路橋梁上部結(jié)構(gòu)的完整性，也會帶來不可預(yù)估的損失。所以，在現(xiàn)今的公路橋梁建設(shè)中，應(yīng)極度重視項目結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以期將橋梁的上部結(jié)構(gòu)和構(gòu)件連接部分的傷害降到最低。

2.3 橋梁下部結(jié)構(gòu)的震害

橋梁下部結(jié)構(gòu)震害的常見表現(xiàn)是傾斜、開裂或是混凝土橋墩下部鋼筋出現(xiàn)燈籠狀變形，導(dǎo)致施工土地出現(xiàn)崩裂。常見的單向傾斜和八字開裂，主要是由于各個樁基的連接處存在一定的偏差而導(dǎo)致的。

2.4 地基基礎(chǔ)的震害

橋梁工程中最重要的組成部分，是下部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)工程。良好的地基環(huán)境是橋梁整體安全性的前提和保障。發(fā)生地震時，最常見的基礎(chǔ)病害是土體液化，土體失去了原有強(qiáng)度，導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，橋梁上部結(jié)構(gòu)遭到破壞。同樣，地震帶來的劇烈橫向波動也增加了基礎(chǔ)的橫向作用，導(dǎo)致基礎(chǔ)被破壞。圖2 為日本昭和大橋因砂土液化而發(fā)生坍塌的現(xiàn)場。

圖2 日本昭和大橋因砂土液化發(fā)生坍塌

3 公路橋梁抗震的設(shè)計要點(diǎn)

3.1 公路橋梁的設(shè)計要點(diǎn)

在公路橋梁工程建設(shè)中，抗震設(shè)計是重中之重。設(shè)計時應(yīng)符合國家制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因地制宜地設(shè)計出與當(dāng)?shù)氐匦螚l件相適應(yīng)的橋型。設(shè)計前，應(yīng)做好勘探工作，越過不良地質(zhì)，降低基礎(chǔ)被破壞的可能。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，橋梁的基礎(chǔ)選址要注重場地的堅硬程度，越堅硬的土質(zhì)，越能防止土體在地震作用下液化，抗震效果也就越好。

3.2 提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度和延性

公路橋梁結(jié)構(gòu)振動，是地震對橋梁造成破壞的主要方面。基于此，在進(jìn)行抗震設(shè)計時，必須盡可能降低地基傳入結(jié)構(gòu)的振動能量，同時要確保橋梁結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。

地基土在地震作用下將振動傳入橋梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中的各個部位會在振動作用下發(fā)生位移或較大變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)的延展性不足時，微小的變形也會導(dǎo)致斷裂，橋梁結(jié)構(gòu)體系也會因此遭到破壞；當(dāng)構(gòu)件的延展性足夠抵抗結(jié)構(gòu)變形時，橋梁就具有了一定的安全儲備，可靠度提高。因此，要不斷加強(qiáng)建筑材料的延性，以此來抵抗地震作用。

3.3 橋梁的減震、隔震設(shè)計

在橋梁整體的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，減、隔震技術(shù)主要包括兩個方面：減震和隔震。

在現(xiàn)代公路橋梁建設(shè)中，應(yīng)用減、隔震技術(shù)的目的，是在最大程度上將橋梁結(jié)構(gòu)與地面運(yùn)動分離開，為了達(dá)到這個目的，可以延長結(jié)構(gòu)的基本周期。如圖3所示，地震振動頻率會隨著結(jié)構(gòu)周期的延長而減小，延長結(jié)構(gòu)的基本周期就是在降低地震對結(jié)構(gòu)的危害，盡可能減少地震集中的位置。該方法雖然有效降低了地震對結(jié)構(gòu)的作用力，但結(jié)構(gòu)基本周期的延長，也意味著結(jié)構(gòu)位移的增大。

圖3 加速度反應(yīng)譜

為了避免位移過大，應(yīng)在橋梁結(jié)構(gòu)中增加阻尼裝置。一旦發(fā)生地震等威脅橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問題時，減震裝置可以將地震力吸收、轉(zhuǎn)移，以達(dá)到減震的目的。隔震是通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計的調(diào)整與優(yōu)化，借助振動周期將振動所產(chǎn)生的能量的沖擊力降低并分散，進(jìn)而阻隔振動對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，如圖4。

圖4 位移反應(yīng)譜

3.4 體系的整體性和規(guī)則性

確保橋梁上部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，可在地震發(fā)生時有效避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在振動過程中散落，使建筑結(jié)構(gòu)在地震中充分發(fā)揮其抗震作用。在設(shè)計之初，要充分考慮到設(shè)計尺寸和實(shí)際情況，保障建筑的質(zhì)量、韌性，防止突發(fā)事故的發(fā)生。

4 公路橋梁抗震優(yōu)化措施

4.1 橋梁上部架構(gòu)抗震設(shè)計優(yōu)化

落梁也是非常常見的震害。為避免這種情況發(fā)生，現(xiàn)在的主要做法是加強(qiáng)橋梁的上部結(jié)構(gòu)，對其整體性進(jìn)行限制。這樣做的目的是當(dāng)橋梁發(fā)生災(zāi)害時，能夠提升橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗震能力。具體的優(yōu)化措施如下：

其一，固定梁體底部，減小梁體的位移。可采用加鋼板或者橫（縱）向位移約束裝置進(jìn)行固定，混凝土擋塊和拉桿是較常用的約束裝置。

其二，注重橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)的連接位置，可采用強(qiáng)度較高的錨栓連接。

其三，梁端與墩臺帽的距離、梁端與蓋梁邊緣距離、掛梁與懸臂的搭接長度等，都要滿足設(shè)計要求。

其四，當(dāng)橋梁跨度過大時，不宜采用簡支梁，建議采用連續(xù)梁，以減少伸縮縫。

4.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計優(yōu)化

我國在公路橋梁建設(shè)方面的技術(shù)水平已處于世界前列，因此，對于橋梁墩柱的設(shè)計，除了要考慮結(jié)構(gòu)的安全性，還要考慮其是否美觀、經(jīng)濟(jì)。目前，我國橋墩的主要形式是圓柱形、花瓶墩形和方形。

減、隔震體系的主要作用是消散地震的能量。支座連接上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，因此可以通過支座的變形來消除地震帶來影響，下部結(jié)構(gòu)可采用彈性理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。調(diào)查、研究發(fā)現(xiàn)，采用不同的理念來設(shè)計結(jié)構(gòu)是最為經(jīng)濟(jì)、合理的，不同地區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦?、地質(zhì)情況來確定。表1 是不同條件下所采取的墩柱設(shè)計。

表1 墩柱在不同地區(qū)的建議設(shè)計理念

4.3 引進(jìn)新型橋梁的抗震設(shè)計方法

在以往的抗震設(shè)計中，我國基本采用的是以提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度或增強(qiáng)結(jié)構(gòu)延展性的方式，來保障橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力。但不同類型的震害帶來的破壞不同，因此要針對不同的情況采取措施。由于我國是多山國家，不同地區(qū)的地震影響與橋梁的抗震能力都很復(fù)雜，因此，要不斷更新和補(bǔ)充抗震設(shè)計技術(shù)，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的抗震技術(shù)，不斷提升材料的性能?，F(xiàn)如今，我國廣泛采用鋼混凝土結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對建筑的保護(hù)和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，該結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步提升承載能力和抗震能力，提升應(yīng)災(zāi)能力，保護(hù)人民的人身和財產(chǎn)安全。

5 結(jié)論

以實(shí)際震害橋梁為研究基礎(chǔ)，重點(diǎn)分析了橋梁受到破壞的原因；總結(jié)了地震中常見的橋梁破壞形式，分別從上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)三個方面進(jìn)行分析；確保橋梁上部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，可在地震發(fā)生時有效避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在振動過程中散落，使建筑結(jié)構(gòu)在地震中充分發(fā)揮其抗震作用。

由于我國復(fù)雜的地理面貌，我國在工程建設(shè)中的各個環(huán)節(jié)都非常復(fù)雜、艱難，橋梁也面臨著諸多病害，其中震害最為嚴(yán)重。未來，對建筑抗震的研究將著重于設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)預(yù)防，尤其是對于地裂縫、跨近斷層等地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)。除了設(shè)計階段的預(yù)防，也要注重震后的及時修復(fù)，盡快恢復(fù)交通運(yùn)行，保證橋梁的穩(wěn)定性。而隨著大數(shù)據(jù)、人工智能的興起，將有更多的高精尖技術(shù)被應(yīng)用于工程中，預(yù)測、分析震害的發(fā)生，優(yōu)化震害的設(shè)計，讓我國的公路橋梁具備更好的防震、抗震功能。