公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

吳小念

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

橋梁通常是作為軌道的核心控制項(xiàng)目而建的，一旦損壞或塌陷為軌道的核心節(jié)點(diǎn)，就會(huì)直接麻痹線路所在的線路，其重要性不言而喻。如何使橋梁正常履行其工程職能，特別是其承受極端條件的能力，是橋梁設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮的最重要問題。地震是常見的自然災(zāi)害之一，對(duì)工程師來說也是不利條件。地震是突然發(fā)生的，其特征是強(qiáng)大的破壞力和廣泛的破壞面積。沒有目標(biāo)設(shè)計(jì)，橋梁將無法承受災(zāi)難的破壞，并可能失去其使用能力。1976 年唐山地震造成的破壞震驚了世界，并給橋梁研究人員提出了新的問題。在國(guó)家的大力支持下，中國(guó)的橋梁地震研究已經(jīng)取得了數(shù)十年的豐碩成果，與國(guó)外基本處于同一水平線上。

1 橋梁地震破壞機(jī)理

通過對(duì)地震破壞橋梁的損傷識(shí)別分析的結(jié)果，可以看出，由側(cè)向地震波引起的橋梁各部分之間的壓縮和碰撞導(dǎo)致的破壞是橋梁地震破壞的重要原因。眾所周知，橋由連接在一起的幾個(gè)部分組成。當(dāng)橋梁承受強(qiáng)大的側(cè)向力時(shí)，諸如軸承和橫向鉸鏈之類的連接部件會(huì)導(dǎo)致橫梁向側(cè)面移動(dòng)并與相鄰橫梁發(fā)生碰撞，從而損壞接頭。橋面鋪面被損壞，橋區(qū)因沖擊而損壞，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的光束下降和橋梁運(yùn)輸功能的喪失。另外，地震使下面的土壤松散，破壞了基礎(chǔ)并失去了支撐功能。

2 常見的橋梁地震破壞

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)地震災(zāi)害的研究，發(fā)現(xiàn)如果地震地區(qū)的橋梁倒塌，會(huì)對(duì)救災(zāi)渠道造成巨大阻礙，并且在災(zāi)后還要對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。研究橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)地震破壞并找出其緣由，可以做出準(zhǔn)確的地震設(shè)計(jì)的內(nèi)容和防震的對(duì)策。因此，研究橋梁結(jié)構(gòu)在先前的破壞性地震中的生存或破壞可以優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)并改善施工方法。典型的橋梁地震破壞包括：

（1）主梁的地震破壞在最初的破壞性地震中，最嚴(yán)重的現(xiàn)象是梁的跌落，并且該梁在橋梁方向上的跌落大于橫向。主梁地震破壞主要是自震破壞、位移破壞、碰撞破壞等。

（2）支撐件的地震破壞，在防震過程中忽視支撐物的重要作用，沒有科學(xué)地設(shè)計(jì)連接橋梁，則支撐物容易移動(dòng)或掉落，并可能引起諸如落梁之類的損壞。

（3）基臺(tái)的地震破壞移動(dòng)基臺(tái)位置時(shí)，樁基會(huì)同時(shí)移動(dòng)、破裂或斷裂。

（4）地基地震破壞，土壤滑移和砂土液化是地基膨脹和樁基地震破壞的主要原因。樁基會(huì)導(dǎo)致彎曲和剪切破壞，這主要是由于上部結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)傳遞的慣性力造成的。

3 橋梁地震研究現(xiàn)狀

根據(jù)橋梁本身的特點(diǎn)和橋梁地震的破壞機(jī)理，橋梁的地震研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）橋梁混凝土材料損傷本構(gòu)模型?；炷敛牧系难芯渴菢蛄貉芯康闹匾矫妫绕涫强拐鹦?。實(shí)際上，地震的作用將使橋梁受到強(qiáng)大的外力干擾，位移將超過極限，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。根據(jù)混凝土材料的特性，建立了對(duì)應(yīng)于彈性模態(tài)和塑性模態(tài)的兩種構(gòu)造模型進(jìn)行分析。

關(guān)于彈性損傷模型，專業(yè)人員通過引用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的損傷變量建立了彈性損傷模型。也就是說，對(duì)于同時(shí)具有彈性變形和塑性變形材料的彈性塑性損傷構(gòu)造模型，技術(shù)人員提出了基于連續(xù)損傷的應(yīng)力-應(yīng)變模型，提出了構(gòu)成混凝土的純粹憑經(jīng)驗(yàn)的非彈性損傷。從理論上講，吳建英等人介紹了損傷能量釋放率的概念。這些模型對(duì)于研究塑性破壞階段混凝土材料的破壞行為非常有用，但是并不能消除由于破壞而導(dǎo)致的材料特性變化所引起的誤差。

（2）鋼筋混凝土墩的抗震性能及分析模型。墩是墩基礎(chǔ)的一部分，在壓力下具有出色的抗壓性，但是當(dāng)受到地震影響時(shí)，墩可能會(huì)由于剪切力或塑性鉸鏈損壞而偏心，或者削弱了基礎(chǔ)土壤的穩(wěn)定性?；谶@些破壞模式，技術(shù)人員研究了具有低縱向鋼筋比率圓柱的抗震性能，在軸向力和彎曲的相互作用下構(gòu)造了墩的地震模型，并在這種情況下準(zhǔn)確地計(jì)算了墩的非線性性能。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)地震分析理論與設(shè)計(jì)方法。橋梁的基于位移的抗震設(shè)計(jì)理論以位移為設(shè)計(jì)變量，根據(jù)區(qū)域和安全等級(jí)確定橋梁只能在特定區(qū)域位移，并根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相關(guān)技術(shù)人員最初提出了這種設(shè)計(jì)方法，后來橋梁工人對(duì)其進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，并建立了更加科學(xué)合理的理論。

在基于性能的橋梁抗震設(shè)計(jì)理論中，橋梁必須能夠承受一定程度的地震沖擊，并且不能超過可接受的破壞程度。主要意圖是以最低的成本獲得最佳的抗震效果。根據(jù)橋梁的等級(jí)和路線的重要性將其分類為重要性，并據(jù)此確定地震等級(jí)。

（4）橋梁防震技術(shù)。橋梁的主要減震隔離設(shè)施是減震隔離軸承，其與普通軸承的不同之處在于，具有良好的韌性，可以充分吸收地震力的能量而不會(huì)造成損壞，可以作為連續(xù)支撐。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展和對(duì)地震破壞的全面理解，橋梁工人開發(fā)了一些性能優(yōu)異、適用范圍廣的地震軸承，可歸納為以下兩類：疊層鋼板橡膠軸承；滑動(dòng)摩擦式減震軸承。

（5）橋梁結(jié)構(gòu)脆弱性分析。結(jié)構(gòu)脆性是指零件在外力作用下達(dá)到或超過一定程度破壞的可能性，而本研究的目的是了解某種程度的地震所破壞的某種結(jié)構(gòu)的破壞特征。該結(jié)構(gòu)可以有針對(duì)性地得到加強(qiáng)。評(píng)估結(jié)構(gòu)漏洞需要進(jìn)行初步調(diào)查，數(shù)據(jù)處理和相互比較，以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。但是，這種分析方法有幾個(gè)缺點(diǎn)，例如不能準(zhǔn)確地模擬地震破壞，橋梁性能恢復(fù)不足，無法研究不規(guī)則橋梁以及不考慮支撐物的張力。但是，由于現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性，尚未研究如何使用這些結(jié)果來優(yōu)化地震設(shè)計(jì)。

4 橋梁抗震設(shè)計(jì)理論

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)橋梁的地震分析理論始于20世紀(jì)50 年代。針對(duì)以往地震破壞進(jìn)行分析，我國(guó)借鑒了國(guó)外優(yōu)秀的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及技術(shù)，根據(jù)本國(guó)的具體情況進(jìn)行仔細(xì)鉆研，使地震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平得到了很大的提高，對(duì)抗震的設(shè)計(jì)方法也不斷創(chuàng)新，并進(jìn)行了較為完善的研究，使抗震系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力得到提高。

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)的地震系統(tǒng)

橋梁結(jié)構(gòu)的地震系統(tǒng)必須具有清晰可靠的位移約束力，傳遞路徑和能有效控制位移，防止橫梁掉落并具有回避性能的耗能減震部件。由于某些橋梁部件（例如支撐和砌塊）的塌陷，具有塌陷結(jié)構(gòu)的能力。

4.1.1 延性地震系統(tǒng)

通過對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的觀察，提出了延性抗震的概念。在實(shí)際的地震破壞中，已經(jīng)觀察到缺乏結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并不一定會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，并且只要結(jié)構(gòu)的初始強(qiáng)度不會(huì)因非彈性變形而劣化并且基本上保持初始強(qiáng)度，就不會(huì)破壞結(jié)構(gòu)。既有橋梁的彈塑性消能部分可以安裝在墩中，以達(dá)到地震系統(tǒng)的目的，并便于檢查和維修墩的受損部分。典型的連續(xù)梁橋和簡(jiǎn)單的支撐梁橋是單柱墩，其消能部分位于墩底，而雙柱墩則是墩頂、墩底和綁梁端。因此，墩柱和系梁被設(shè)計(jì)為柔性部件，在彈性內(nèi)而不會(huì)損壞部件。通常延性地震系統(tǒng)適用于大比例墩和橋梁的地震設(shè)計(jì)。

4.1.2 減震/隔離和地震系統(tǒng)

橋梁結(jié)構(gòu)的地震系統(tǒng)將通過設(shè)置地震支撐，防止橋墩結(jié)構(gòu)破壞?？梢栽O(shè)計(jì)合理的減震和絕緣軸承或耗能設(shè)備參數(shù)，以可靠地傳遞橋的上下連接部分，以防止嚴(yán)重?fù)p壞橋梁。

4.2 橋梁地震分析方法

4.2.1 靜態(tài)方法

靜態(tài)方法的設(shè)計(jì)通常不會(huì)考慮橋梁結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性的影響，而橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的唯一因素就是地震加速度。在設(shè)計(jì)過程中，僅考慮構(gòu)件的結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，并且將其視為絕對(duì)剛性的對(duì)象。如果無法將橋梁結(jié)構(gòu)近似為絕對(duì)剛體，則靜態(tài)方法不會(huì)考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。因此，靜態(tài)方法非常有限，但概念簡(jiǎn)單明了，適用于整體剛度較高的結(jié)構(gòu)（如重力橋臺(tái)和擋土墻結(jié)構(gòu)）的地震分析。

4.2.2 反應(yīng)譜法

反應(yīng)譜法將結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)問題轉(zhuǎn)換為易于理解且易于計(jì)算的靜態(tài)問題。響應(yīng)譜法是該規(guī)范的基本地震分析方法，首先仔細(xì)分析橋梁結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性，然后使用譜線曲線記錄不同主要振動(dòng)模式下強(qiáng)地震的地震響應(yīng)最大值，最后記錄該最大值。在其他主要振動(dòng)模式下的地震響應(yīng)也需要完成，確定橋梁結(jié)構(gòu)的最大地震響應(yīng)值，而不能獲得根據(jù)地震而變化的地震。

4.2.3 動(dòng)態(tài)時(shí)程分析方法

該方法主要將計(jì)算機(jī)程序、有限元分析和結(jié)構(gòu)地震分析中的計(jì)算相結(jié)合。在應(yīng)用時(shí)程分析方法時(shí)，通過有限元軟件將橋梁結(jié)構(gòu)離散化成一個(gè)多節(jié)點(diǎn)，多自由度的有限元計(jì)算模型，地震加速度的時(shí)間和結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)必須通過有限元軟件傳輸計(jì)算，還需要進(jìn)一步研究，并且存在復(fù)雜的理論，例如計(jì)算量大的特性和塑料鉸鏈。因此，該方法是橋梁長(zhǎng)期地震分析的相對(duì)重要、復(fù)雜和推薦的方法。

4.3 橋梁抗震設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有支撐的簡(jiǎn)單橋梁結(jié)構(gòu)的情況下，必須對(duì)橋面的連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，主梁的位移必須提供足夠的加固寬度以防止梁墜落，并且梁的寬度基臺(tái)和支撐的頂部必須適當(dāng)加寬。并增加一個(gè)屏障裝置以防止移位。對(duì)于帶有橡膠軸承但沒有固定軸承的橋梁跨度，軸承的抗震設(shè)計(jì)要求增加防偏角或固定導(dǎo)軌。地震帶中的橋梁結(jié)構(gòu)的跨度和剛度與每個(gè)連續(xù)跨度的下墩相同。如果彈簧跨度不均勻且剛度不同，則可能會(huì)造成地震損壞。如果每個(gè)基臺(tái)的高度明顯不同，則可以使用基臺(tái)頂部的支撐件和基臺(tái)頂部的襯套尺寸來調(diào)整每個(gè)基臺(tái)的剛度，以便盡可能保持基臺(tái)的位移。在地震帶中，橋梁的跨度不能太長(zhǎng)，如果跨度較大，則柱會(huì)承受太大的軸向力，從而降低墩柱的延性。在高強(qiáng)度地區(qū)設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，應(yīng)縱向安裝某些能量消散裝置，例如使用收縮和隔離軸承，以通過柔性和阻尼連接結(jié)構(gòu)之間的力來分擔(dān)梁、柱和水平橋的荷載。拱橋?qū)χё乃轿灰品浅Ｃ舾校瑸榇?，需要?jiǎng)討B(tài)支撐弧在地震帶。為了確保在地震期間同時(shí)激發(fā)每個(gè)支撐，必須將基座放置在整個(gè)巖石范圍內(nèi)或相同類型的位置。

5 發(fā)展趨勢(shì)

地震對(duì)橋梁的破壞越來越嚴(yán)重，大多數(shù)遭受較大破壞和坍塌的橋梁結(jié)構(gòu)是由落梁和彎曲延展性不足引起的。因此，期望在未來對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，并且延性抗震設(shè)計(jì)是被廣泛采用的設(shè)計(jì)理念，具有一定的先進(jìn)性，可以有效地提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。將來，此方法將繼續(xù)應(yīng)用和改進(jìn)。

隨著橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)和地震技術(shù)的發(fā)展，有必要考慮各種尺度橋梁位移的設(shè)計(jì)參數(shù)，并根據(jù)該參數(shù)確定橋梁的地震穩(wěn)定性。隔震技術(shù)是橋梁抗震的主要技術(shù)手段。在橋梁的抗震設(shè)計(jì)中，將通過一項(xiàng)新的技術(shù)來證明抗震性能，該抗震性能可以最大化提高橋梁的剛度和抗震性能。

6 結(jié)束語

抗震設(shè)計(jì)作為橋梁安全設(shè)計(jì)的重要組成部分，經(jīng)過多年的案例分析和學(xué)術(shù)研究，已形成了較為成熟完整的理論體系，并應(yīng)用于實(shí)際工程中，取得了良好的預(yù)期效果。但是，由于技術(shù)和認(rèn)知上的限制，抗震設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到理想的效果，并且在某種程度上可以減少財(cái)產(chǎn)損失、人身安全和地震引起的常規(guī)干擾。這已成為我們對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行持續(xù)研究的原動(dòng)力，也是橋梁學(xué)術(shù)研究發(fā)展的原動(dòng)力。