魏曉強，吳登科

（1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，西安710075；2.中聯(lián)西北工程設計研究院有限公司，西安710077）

1 引言

我國土木工程建設環(huán)境復雜，不同建設條件下橋梁的結構有很大的差異。不重視橋梁的抗震設計，容易導致橋梁在地震災害中喪失使用功能。橋梁在地震中發(fā)生的震害是毀滅性的，為了降低橋梁震害對人類生活的影響，設計中常采取兩種方法進行抗震[1-3]。第一，用新型抗震材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土材料，降低了震害對橋梁的影響。第二，通過完善設計規(guī)范，提高橋梁的抗震設防烈度，提高支座在整個地震作用中的影響。本文將針對以上兩種方法，展開公路橋梁的設計及其抗震優(yōu)化研究[4-5]。

2 公路橋梁抗震設計的相關理論

2.1 抗震設計的概念

抗震設計，又叫減隔震設計，由減震設計和隔震設計兩部分組成。與減震設計不同，隔震設計在設計過程中應考慮結構的振動周期數(shù)值。當公路橋梁遭遇地震時，橋梁結構上設置的隔震設施可以對地震波所帶來沖擊起到一定程度的延緩作用，使橋梁結構所承受的能量減少，從而對橋梁起到保護作用。在實際應用過程中，減隔震設計中關鍵設備的阻尼裝置和耗能構件起到了決定性作用。

2.2 抗震設計的原理

2.2.1 結構控制

在對公路橋梁結構設計過程中，常采用的結構控制技術有混合控制技術、被動控制技術及主動控制技術3 種。設計中最常采用的為被動控制技術。這一技術的原理是設計人員通過數(shù)值計算實現(xiàn)橋梁結構的最優(yōu)布置，最大限度地降低地震對橋梁所帶來的影響。經(jīng)實踐可知，在抗震設計過程中采用結構控制技術可以提高公路橋梁的抗震性能。

2.2.2 延性設計

現(xiàn)今，對公路橋梁建設過程的考核標準更加多樣化，不僅要確保結構具有一定的強度和高度，還要充分考慮到制作過程當中材料的可重復使用性以及經(jīng)濟適用性。公路橋梁結構強度及延展性的提升，對抗震設計起著決定性的作用。公路橋梁結構振動是地震對橋梁破壞的主要方面，基于此，在抗震設計中必須盡可能將地基傳入結構的震動能量降低。公路橋梁的延性設計目的在于以塑性變形來抵抗地震作用，雖然整體的變形變大，但地震作用傳入橋梁內(nèi)部的內(nèi)力減少，降低了公路橋梁建設在受到地震等自然災害的破壞，能夠得以再次使用，減少經(jīng)濟損耗。

3 公路橋梁抗震設計要點

3.1 合理選擇橋梁施工場地

在橋梁抗震設計中應注意對施工場地的合理選擇，這是保證橋梁抗震效果的前提。通常而言，在選擇施工場地時，要盡可能選擇較為堅硬的地基，能夠為橋梁提供平穩(wěn)的平臺，在遇到地震情況時不會出現(xiàn)嚴重垮塌，必須盡量保證地基的穩(wěn)定性。以基巖、碎石和硬黏土等為主的地基類型是較為堅硬的地基，能為橋梁提供穩(wěn)定的基礎，可作為施工場地的首選。如果所設計橋梁的地區(qū)位置是軟弱地基時，應在允許范圍內(nèi)對地基進行強化加固，重點在于要防止地基受震動因素影響而出現(xiàn)變形，以此確保地基地穩(wěn)定，進而保證橋梁的抗震性能。

3.2 避免落梁問題的發(fā)生

在公路橋梁抗震設計過程中，需盡可能避免橋梁落梁。地震發(fā)生時，地震波所帶來的能量隨著橋梁內(nèi)部進行傳播，從而使橋梁發(fā)生位移、垮塌等不良情況，對橋梁上部的車輛行駛和行人安全帶來不利影響。因此，需采用有效措施提高橋梁不同結構連接位置的穩(wěn)定性，增加橋梁震動的彈性，并且在一定范圍內(nèi)允許橋梁發(fā)生位移而避免落梁。此外，當橋梁的主梁與墩臺縫隙加大時，也容易導致落梁問題的出現(xiàn)，對此可以對橋梁中未連續(xù)的位置進行加固，強化其間的聯(lián)系，而達到防止橋落地目的。

3.3 加強墩柱設計控制

在公路橋梁的建設中，墩柱結構是重要組成部分。墩柱結構一方面可以對橋梁上部結構起到支撐作用，另一方面也發(fā)揮著一定的抗震作用。對墩柱加強設計控制其核心在于對墩柱質(zhì)量的控制，可以采取以下措施：第一，將墩柱自身的強度與地震時所稱承受的強度進行比較，從而對墩柱進行設計優(yōu)化，確保具備足夠的承載力；第二，為保證墩柱質(zhì)量，應重視墩柱配筋，合理選擇配筋型號，保證配筋所提供的抗彎承載力足夠，提高墩柱自身的穩(wěn)定性，在地震中發(fā)揮其抗震作用。

3.4 合理設置支座

在抗震設計的具體操作過程中，還需關注公路橋梁支座的類型及布置方式。根據(jù)公路橋梁所在區(qū)域的地震動加速度值，選擇具有減震性能的橡膠支座。值得重視的是，在公路橋梁的設計過程中，不要局限于一種類型的固定支座，可以根據(jù)結構的不同采用活動支座，并且根據(jù)力學知識可以計算得到各支座的受力情況，從而可以使各支座在抗震過程可以充分發(fā)揮自身性能。與此同時，根據(jù)橋梁結構抗剪能力的大小對箍筋進行科學布置，計算不同箍筋的布置間距，充分考慮好細部構造，從而在滿足抗震規(guī)范的前提下，最大化地提升公路橋梁結構的抗震性能。

4 公路橋梁抗震設計中應注意的要點

公路橋梁地基設計中，以土的抗剪強度來判斷地基對地震作用的抵抗效果。地震作用下，土體產(chǎn)生松動，土中孔隙變大，土顆粒之間的作用力變?nèi)?，抗剪強度變低，此時橋梁結構失去了地基的有效支撐，造成結構不穩(wěn)定。再加之余震的作用，橋梁結構會徹底失去穩(wěn)定性而倒塌。土體在一次荷載作用下和多次荷載作用下所呈現(xiàn)的抗剪強度不同。

抗震設計時應考慮公路橋梁可能發(fā)生的破壞形式，根據(jù)破壞結果來加強橋梁的特定部位。例如，我國大多數(shù)小跨徑橋梁采用簡支梁形式，如圖1 所示，在地震作用下，橋梁上部結構與下部結構通過制作相連接，地震作用下，支座發(fā)生滑移破壞，橋梁上部結構和下部結構的傳力系統(tǒng)被破壞，傳入下部結構的內(nèi)力大大減少，在這種情況下應重點考慮如何防止橋梁落架?；诖?，小跨徑的公路橋梁在抗震設計時要以上部結構與支座的摩擦來消除地震作用。

圖1 簡支梁橋簡化示意圖

5 橋梁抗震優(yōu)化措施

5.1 橋梁上部架構抗震設計優(yōu)化

在地震災害中，由于落梁引起的地震災害較為普遍。根據(jù)國內(nèi)外文獻資料，為了提高橋梁上部結構的抗震性能，大多采用限制橋梁上部架構位移，提升橋梁整體性的措施。橋梁架構常用的抗震措施有：將鋼板與橋梁底部焊接，或采用多種裝置的措施；上部結構與下部結構的連接多采用強度較高的錨固連接；梁端至墩臺帽的距離需滿足規(guī)范所要求的位移。

5.2 橋梁下部結構抗震設計優(yōu)化

減隔震體系的主要作用是消散地震的能量。支座連接上部結構和下部結構，可通過支座的變形來消除地震影響，下部結構可采用彈性理論來設計結構。經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，采用不同的理念來設計結構是最為經(jīng)濟合理的，不同地區(qū)的結構設計根據(jù)當?shù)氐牡匦?、地質(zhì)情況來確定。表1 是墩柱在不同條件下所采取的設計理念。

表1 墩柱在不同地區(qū)的建議設計理念

5.3 引進新型橋梁的抗震設計方法

在傳統(tǒng)的橋梁結構抗震設計方法中，為有效提高橋梁結構的抗震性能，通常采取增大結構強度指標和優(yōu)化結構延性的方法。但上述措施往往具有一定的缺陷，由于地震對橋梁的影響程度和橋梁自身抵抗地震的性能是不確定的，這樣會導致橋梁喪失了部分使用功能。因此，需要采用新型的抗震設計方法對原先的設計方法進行優(yōu)化。目前，由于型鋼混凝土具有較好的承載性能，抗剪強度高以及延性較好的特點，因此在設計階段，已經(jīng)提出了采用型鋼混凝土結構的設計措施。

6 結語

本文以公路橋梁為研究對象，結合現(xiàn)有的規(guī)范和設計理念對公路橋梁的抗震設計和優(yōu)化措施進行探討，主要結論如下：抗震設計中采用結構控制技術可以提高公路橋梁的抗震性能；延性設計目的在于以塑性變形來抵抗地震作用，整體的變形變大，但地震作用傳入橋梁內(nèi)部的內(nèi)力減小，降低了公路橋梁建設在受到地震等自然災害的破壞；橋梁的主梁與墩臺縫隙加大時，容易產(chǎn)生落梁問題；為提高橋梁結構穩(wěn)定性，減少橋梁震害，可通過引進新型橋梁抗震設計方法，吸取抗震設計的成功經(jīng)驗。