桥梁结构抗震设计与设防措施

桥梁结构抗震设计与设防措施

方向欢

陕西交通公路设计研究院有限公司，陕西 西安 710075

摘要：随着我国基础设施建设力度的进一步加大,全国各地桥梁工程建设数量进一步增多,抗震设计作为桥梁结构安全性和可靠性的重要保障,对桥梁结构抗震设计与防护措施的探讨和研究必不可少。在此条件下,本文在探究地震的产生机理和危害的基础上,对我国抗震设防标准解析，抗震设计中应注意的问题以及桥梁结构抗震设防措施进行了简要阐述，旨在为桥梁设计工作人员提供参考。

关键词：桥梁结构；设计工作；抗震设防；措施分析

引言

　人类的生活及发展必离不开衣食住行，而随着历史车轮的滚滚向前，出行逐渐成为人们的必然成为，这就自然的要求道路和桥梁的建设要跟上历史的脚步，桥梁在其中起到了重要的作用，桥梁是用于跨越障碍物(如河流、海峡、山谷、道路等)而使道路保持连续的人工构造物，俗称道路咽喉，它便利了两岸的往来，又不阻挡山间水上的原有交通。桥梁既是一种交通功能性的构造物，也是一座立体的造型艺术工程。桥梁往往是一个城市或国家(地区)的象征。而我国地震的特点是发生频率高、强度大、分布范围广、伤亡大、灾害严重，因此在抗震救灾中，桥梁作为连通交通运输网的“咽喉”，减轻减少其地震破坏是桥梁设计中的重中之重。

1、桥梁结构的抗震概述

1.1桥梁结构的结构及类型

桥梁结构一般分为上部结构(分为桥身、桥面和必要的连接结构)和下部结构(分为桥墩、桥台、支座和基础),支撑桥身的承重构件是桥墩,主要承受竖向恒载,桥身是承受车辆行人荷载的主要构件,活动支座允许梁伸缩和转动变形固定支座允许转动但不允许伸缩。桥梁结构类型分为梁桥、拱式桥、悬索桥、斜拉桥、钢构桥。

1.2桥梁结构的震害及原因分析

桥梁结构震害主要有两种形式:一是场地运动引起的桥梁结构振动,二是场地相对位移产生的强制变形。第一种形式通过惯性力的形式把地震作用施加在桥梁结构上,第二种形式是通过支点强制变形产生的超静定内力或过大的相对变形影响桥梁结构的地震安全性。在地震的作用下桥梁会造到不同程度的破坏，如桥台桥墩倾斜开裂、支座锚栓剪断或拉长甚至桥台桥墩滑移、落梁倒塌。而地震中桥梁破坏有各种形式,以下为几种具有代表性的破坏形式。正确认识桥梁结构震害的产生原因是做好桥梁抗震设计的基本前提，也是抗震设计和结构发挥作用的重要保障。就目前掌握的国内外的地震相关资料来看，公路桥梁的震害表现形式主要有以下几种:

首先,地震发生后对梁式桥梁会产生较大的位移，并在位移的过程中对桥梁上部结构的各个节点造成危害，继而形成因节点承载力和角度发生变化所导致的桥梁梁体的相互撞击。其次,在地震过程中,公路桥梁的地基周围的土质发生液化，致使桥梁发生位移,于是桥梁结构受到位移的影响引发落梁现象。再次,在桥梁的设计和施工过程中,没有充分的考虑支座的抗震性能，于是当地震发生后,桥梁支座因无法承受地震所导致的位移而产生结构破裂,从而影响了其他桥梁上部结构的抗震效果。其四，对于桥梁下半部结构的抗震设计的不足,而导致的在地震过程中出现的各种开裂、变形和失效现象，也会严重影响桥梁的整体抗震能力。

1.3桥墩弯曲破坏

弯曲破坏的定义就是指结构的弯曲承载力比结构剪切承载力要低，结构承载能力由抗弯性能起控制作用的破坏形式。因为这种破坏发生后桥墩的塑性变形吸收地震能量和刚度下降能够减轻地震作用的强度，所以，这种破坏通常可以避免桥梁在地震中发生倒塌破坏。

1.4 桥墩剪切破坏

剪切破坏指的是结构弯曲承载能力高于剪切承载能力，结构的承载力完全由剪切强度控制的破坏形式。发生地震时，剪切破坏是导致桥梁遭受严重破坏的主要形式，这种破坏比较常见。

1.5 支座破坏

支座破坏是桥梁上部结构遭受破坏的最常见的一种破坏形式，这种破坏形式也是引起落梁破坏的主要原因，但是支座损伤可以避免上部的地震影响传到桥墩，使桥墩避免破坏。

2.桥梁结构抗震设计的思想和原则

2.1桥梁结构抗震设计的思想

抗震设防的目标是“小震不坏，中震可修,大震不倒”，即按多遇地震、设计地震、罕遇地震对桥梁进行多水准设防。具体来讲，就是在设计基准期内,当发生多遇地震(小震)时,结构处于弹性工作阶段，应保证不损坏或轻微损坏，能够保持其正常使用:在发生设计地震(中震)时，结构整体进入非弹性工作阶段，可能损坏，经修补，能尽早恢复其正常使用:在发生罕遇地震(大震)时，结构进入弹塑性工作阶段可能产生较大破坏，但不出现整体倒塌,经抢修后可限速通车。一般情况下,抗震设计按“地震动峰值加速度”和“地震动反应谱特征周期”进行抗震验算，并按“抗震设防烈度”要求采取相应的抗震措施。

2.2桥梁抗震设计要点

对于易发生地震灾害的地区的桥梁建设，或者是地震强度级别较高的地区的公路桥梁建设，工程人员要在认真分析桥梁结构和自身抗震特点的基础上，有针对性的加强桥梁的抗震设计。一般来讲，有如下基本设计原则:首先,要尽量将桥梁的整体重心下移,通过提高桥梁稳定性的方式增强其抗震效果，对于桥的高度要做好适当的控制，以免过高的桥梁结构在地震中发生振动，影响下部结构的刚度。再次，应该做好地基的加固处理,避免地基在地震发生后的大幅度位移导致的桥梁整体抗震能力减弱。桥梁的对称位置和结构应该具有大致相同的刚度,因为实践证明结构简单和对称的桥梁较不等跨桥梁的抗震效果更好。尤其是对于长度较长的桥梁，这种差距就更为明显。所以,对于没有特殊要求的桥梁，我们应该尽量采取对称型的小跨径的桥梁。

3．桥梁结构抗震设计工作的重点

3.1对桥梁结构进行合理化计算

在对桥梁结构进行计算时，要充分的考虑到整个结构的情况，做好合理的计算工作，在此过程中温度以及汽车的制动力等都会影响到整体的计算工作，因此计算人员要考虑到这些问题，把可能存在的水平力或者是力分配不均匀的问题考虑到位，计算工作在开展之前，科学合理的对边界条件进行模拟。

3.2支座刚硬度设计

抗震设计工作在开展过程中一般情况下会使用到橡胶支架。在桥墩的顶部会设置支架和支座，设置的数量为两排。在计算支架刚度时，要按照公式Kz=AG/t（1）进行计算工作，在此过程中的科学合理的对横向支架进行设置。

3.3地震荷载

对地震峰值加速度以及抗震设防烈度进行确定和设计是至关重要的，在此过程中也能够很好的明确地震的荷载。科学合理的对地震动峰值的加速度进行设置，是七度区高速公路桥梁工程施工的主要内容，在此过程中设置的数值为0.1g，除此之外还有科学合理的对反应谱特征周期进行设置，该工程设置的数值为0.45s，桥墩的高度如果在30米以下，则属于常规的桥梁，否则就需要对整个结构的抗震性能进行分析，采取科学合理的方法进行抗震设计。

3.4科学合理的对桥墩长度进行计算

目前在公路桥梁结构中，比较常见的有简支梁形式以及连续结构形式，科学合理的对极端长度值进行计算，能够对桥墩的承载能力进行掌握，在此过程中如果有水平力的作用，那么墩点会有水平位移，在确定抗震烈度系数时，要科学合理的控制β的范围，在此过程中，桥墩的刚性强度以及高度等都会对其产生影响，所以其取值会有一定的差异性，为了防止有更大的误差，要对桥梁结构空间受力的特征进行有效的模拟，在此过程中会使用到三维有限元件，这样能够很好的模拟施工过程以及使用的状态，从而对结构空间的受力情况进行掌握。

3.5桥梁结构各构件抗震设计

在开展抗震设计工作时，往往会面临着一定的技术复杂性，设计人员要充分的对桥梁结构的具体特征进行分析，然后制定科学有效的设计方案。如果要对桥梁的上部结构开展抗震设计工作，那么就需要考虑到结构的形式以及跨径的大小等问题，在此基础上科学合理的对截面进行选择，保证结构的抗震性能得到提升。通过对上部结构的整体性进行增加，能够提升上部结构的抗震能力，从而能够有效的缓解地震时所发生的位移现象。多跨简支梁在桥梁建设过程中是比较常用的一种形式，在此过程中要注重对桥面的连续性进行增强。在对桥梁下部结构开展抗震设计工作时，那么要科学合理的对桥梁地基进行选择，在此过程中要保证土质偏硬，区域稳定，U型结构和T型结构是设计工作中比较常见的两种结构类型。科学合理的对连接件进行设计，能够保证桥梁结构具备很好的抗震性能，采取科学合理的措施，对伸缩缝的数量进行减少，提升整体的变形能力，这样才能够保证抗震性能得到提高。

4.桥梁结构抗震设计设防措施

对桥梁结构进行抗震设防，能够保证整个结构的抗震性能得到提高。首先在确定桥梁场地时，要考虑到抗震的相关需求，科学合理的对地震的危险性进行分析，然后对场地进行选择，这样才能够保证整体具备安全性，一般情况下场地的坚硬度要符合要求，这样才能够很好的对地基进行保护，从而在发生地震时能够防止出现失效问题，对桥梁结构起到了很好的保护作用。其次要注重桥梁体系的结构完整，这样才能够提升整体的抗震性能，这也是比较重要的设防方案。地震在发生时要想很好的对上部结构进行保护，主要是结构的连续性符合要求，在此过程中要保证结构发挥一定的空间作用。在对桥梁的平面和立面等结构进行布置时，要保证几何尺寸以及刚度等各项参数具备规则性，科学合理的对桥梁结构进行保护，具备良好的抗震性能。采取科学合理的措施，对结构强度和延展性进行提高，是结构抗震设防工作的主要内容，这样才能够切实的做到抗震设防。为了减少地震所产生的影响，可以分散地震力通过限度内的塑形变形，在此过程中可以利用桥墩的强度和延性。抗震设防人员要充分的考虑到这些问题。

结束语

由以上可知，对桥梁结构的抗震性能进行提升是至关重要的，能够保证桥梁工程的安全可靠性。设计人员在对桥梁工程进行设计时，要对工程的结构特点进行分析，与此同时还要进行地质勘查工作，在此基础上对抗震设计措施进行有效的制定，保证整体的抗震设计工作的效果得到提升，桥梁结构的抗震等级也会有所提高，对桥梁结构能够起到一定的保护作用。

参考文献：

[1]肖松松.简述桥梁结构抗震设计与设防措施[J].门窗,2019(12):144+148.

[2]陈洁.简述桥梁结构抗震设计与设防措施[J].价值工程,2013,32(10):109-110.

[3]薛玲莉.桥梁结构抗震设计与设防措施[J].科技创新与应用,2022,12(03):85-87.