桥梁抗震概念设计
2010-09-06
1.桥梁的震害原因
桥梁的抗震设防原则国内外学者对桥梁震害的调查研究结果表明，现在桥梁的破坏大多沿顺桥向和横桥向发生，而顺桥向震害尤其严重，分析其破坏原因主要表现在以下几个方面，即：
(1)地震位移造成的梁式桥梁上部活动节点处因盖梁宽度设置不足导致落梁或梁体相互磁撞引起的破坏，而对拱式结构则主要表现在拱上建筑和腹拱的破坏，拱圈在拱顶、拱脚产生的破损裂缝，甚至整个隆起变形。
(2)由于地基土（如饱和粉细纱和饱和粘沙土）的地震液化影响，同样加大了地震位移的影响，进而放大了结构的振动反应，使落梁的可能性增大。当采用排架桩基础时，则使桩基的承载力降低，从而造成与地震反应无关的过大的竖向和横向位移，而简支梁桥对此尤为明显。另外，由于地基软弱，地震时当部分地基液化失效后引起了结构物的整体倾斜，下沉等严重变形，进而导致结构物的破坏，震害较重。
(3)支座破坏，在地震力的作用下，由于支座设计没有充分考虑抗震要求，构造上连接与支挡等构造措施不足，或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素，导致了支座发生过大的位移和变形，从而造成如支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等，并由此导致结构力的传递形式的变化，进而对结构的其他部位产生不利的影响。
(4)软弱的下部结构破坏，即由于桥梁下部结构不足以抵抗其自身的惯性力和支座传递的主梁的地震力，导致结构下部的开裂、变形和失效，甚至倾覆，并由此引起全桥的严重破坏。
(5)在松软地基上的桥梁，特别是特大桥、大中桥，地震时往往发生河岸滑移，使桥台向河心移动，导致全桥长度的缩短，这类震害是比较严重的。
(6)另外桥梁结构的震害还表现在如结构构造及连接不当造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成桥台沉降或斜度过大造成桥墩台承受过大的扭矩而引起的破坏等多种原因。
2.桥梁的抗震设防原则
早在20世纪70年代，多级抗震设防的思想首先在核电站抗震设计中被提出。多级设防的合理性众所周知，从近几年各国桥梁抗震设计规范的发展来看，采用多级设防原则的国家不断增多，我国《建筑抗震设计规范》（GBJ11—89）也早已采用2阶段设计实现3级抗震设防的目标要求。根据3级抗震设防原则，定义以下的3级地震水平：
地震水平Ⅰ：定义为桥梁在正常使用寿命期间发生的大概率的地震作用。这个地震水平一般相当于50年内超越概率60%左右，即约为55年一遇的地震，称为多遇地震。
地震水平Ⅱ：定义为桥梁在正常使用寿命期间发生的中等概率的地震作用。这个地震水平一般相当于50年内超越概率10%左右，即约为475年一遇的地震。
地震水平Ⅲ：定义为桥梁在正常使用寿命期间发生的小概率地震作用。这个地震水平一般相当于50年内超越概率2% 左右，即约为2475年一遇的地震，称为罕遇地震。
上述这个原则实际上也规定了结构在3级地震水平下相应的反应：在多遁地震作用下，结构总体处于弹性反应范围，结构构件没有损坏；在设防烈度的地震作用下，结构可能出现一定的塑性变形，但最大变形值应限定在远低于结构的容许变形以内；在罕遇地震作用下，结构将经历较大的弹塑性变形循环，最大变形可能达到结构的容许变形值，但始终不超过容许变形值。
3 .桥梁抗震概念设计
由于地震是一种随机发生的自然现象．所以对桥梁结构造成的损害也是随机的。地震的发生时间、空间以及强度上都还不能准确的预测，因此桥梁结构的抗震设计若单纯按结构的强度设防，如增大上下部结构的断面尺寸、加强各部分的联系、甚至改变结构的受力体系等可能是不经济，也是不科学的，有时甚至会产生负面的效应。因而人们对抗震概念设计重要性的理解也愈来愈深刻：对桥梁的抗震设计决不能被动地作地震时结构强度及变位的验算，而是要根据地震作用及震害的机理，从设计角度提高结构本身的抗震能力，也就是要从总体上考虑抗震的工程决策，在充分分析和考虑结构震害机理的基础上，结合抗震需要，针对桥梁不同的结构形式、不同的地形地质条件、不同的设防标准和桥梁不同的功能等对结构的强度、延性、结构控制以及结构的整体稳定性进行抗震设计。根据上述的指导思想我们在桥梁结构体系的选择、桥型布置、路线走向以及桥梁结构细部设计中可以采取以下措施以达到结构防震、减少震害的效果。
(1)尽量采用连续的桥跨代替简支梁跨，进而减少伸缩缝的数量，降低在此落梁的可能性，同时也提高了桥上行车的舒适性。
(2)对常规的简支桥梁结构应加强桥面的连续构造，以及需提供足够的加固宽度以防止主梁发生位移落梁，另外还应适当的加宽墩台顶盖梁及支座的宽度，并增设防止位移的隔挡装置。
(3)桥梁位置应选在良好和稳定的河段，如果必须在稳定性差的软弱场地止河段通过时，应尽量采用桥梁中线与河流正交，这样即使地震产生河岸滑移，影响也较小；若采用斜交，地震时极易产生河岸向河心滑移，会使桥梁随之发生错动或扭转破坏。另外，应注意在主河槽与河滩分界的地形突变处，应尽量避免设墩，否则应予以加强措施以减免滑移。
(4)对采用橡胶支座而无固定支座的桥跨，应加设防移角钢或设挡轨，作为支座的抗震设计。
(5)在地震区的桥梁结构以采用跨度相等、每联连续跨内下部墩身刚度相等为宜。跨度不均，墩身刚度不等极易发生震害，这已经为国内外许多震害所证实。对各墩高度相差较大的情况可采用调整墩顶支座尺寸和桩顶设允许墩身位移的套筒来调整各墩的刚度，以便使之刚度尽量保持一致。
(6)对高烈度区的桥梁设计应在纵向设置一定的消能装置，如采用减、隔震支座（如聚四氟乙烯支座、迭层橡胶支座、铅芯橡胶支座等）以及在梁体和墩台的连接处增加结构的柔性和阻尼以便共同受力和减小水平桥梁荷载。
(7)由于拱桥对支座水平位移十分敏感，而两边桥台的非同步激振会引起较大的伪静力反应．有时甚至会大于惯性力所引起的动力反应，因此要求震区的拱桥墩台基础务必设置于整体岩盘或同一类型的场址以保证震时各支座的同步激振。
(8)桥梁的基础应尽可能的建在可靠的地基上，否则软土的液化会加大地震反应。
(9)地震区桥跨不宜太长，大跨度意味着墩柱承受的轴向力过大，从而降低墩柱的延性能力。
(10)墩柱设计中应尽可能的使用螺旋形箍筋．以便为墩柱提供足够的约束。另外墩身及基础的纵向钢盘伸入盖梁和承台应有一定的锚固长度以增强连接点的延性，并且，桥墩基脚处应有足够的抵抗墩柱弯矩与剪切力的能力，不允许有塑性铰接。
(11)对于较高的排架桥墩，墩间应增设横系梁以减少墩柱的横向位移和设计弯矩。
(12)采用将桥墩某些部位（如墩脚）设计成具有足够的延性，以使在强震作用下使该部位形成稳定的延性塑性铰，并产生弹塑性变形来延长结构的振动周期，耗散地震力。
(13)采用上部结构和桥墩完全连接的刚构体系，并且桩尖穿过可液化层达到坚硬土层上，由于结构的超静定次数增大和坚实的桩尖承载能力的保证，减少了由于土壤变形而失效的可能性。
4 .结 论
桥梁结构有效的抗震措施还有许多，因此我们在桥梁设计过程中只要认真分析和了解结构的地震反应和特性，精心设计并采取一系列有效的抗震措施，我们不但可以很好地达到结构的防震和抗震效果，同时对提高和完善桥梁结构物的各项功能性、经济性和社会效应性同样是有益的。
参考文献：
【1】范立础：桥梁延性抗震设计，北京：人民交通出版社，2001。
【2】公路桥梁抗震设计规范，JTJ004—89，北京：人民交通出版社，1990。
【3】铁路桥梁抗震设计规范，GBJ1ll一87，北京：人民交通出版社，1989。
【4】范立础：桥梁抗震，上海：同济大学出版社，1997。
【5】建筑抗震设计规范，GBJ11～89，Z，北京：中国建筑工业出版社，1989。
