公路桥梁的抗震设计论文

公路桥梁的抗震设计

沈阳农业大学水利学院王世雄

摘要：我国处于世界两大地震带——环太平洋地震带和亚欧地震带之间，是一个强震多发国家，汶川、玉树地震表明强烈地震将引发长期的社会政治、经济问题，并带来难以慰籍的感情创伤。在抗震救灾中，公路交通运输网更是抢救人民生命财产和尽快恢复生产、重建家园、减轻次生灾害的重要环节，所以公路桥梁是生命系统工程中的重要组成部分，公路桥梁抵抗震害的能力是桥梁设计中重点关注的问题之一。文章分析桥梁结构震害及其原因，探讨公路桥梁抗震设防目标，提出公路桥梁抗震设防措施。

关键字：桥梁；公路；设计；抗震

Abstract:China is the world's two largest earthquake zone -- the central Pacific seismic belt and the Eurasian seismic belt, is a strong earthquake country, Wenchuan, the Yushu earthquake shows that the strong earthquake will cause social politics, long term economic problems, and brings to the comfort of emotional trauma. In earthquake relief, the highway transportation network is an important link to rescue the people's life and property and to resume production, rebuild their homes as soon as possible, reduce the secondary disasters, so the highway bridge is an important part of life in the system engineering, road and bridge damage resistance ability is one of the focus in bridge design problem. The seismic damage analysis and reasons of bridge structure, bridge seismic fortification target, the highway bridge seismic fortification measures. Keywords:highway bridge; earthquake; design;

我国是地震多发国家，这些年来地震一直不断，特别是2008年5月12日的、汶川大地震给我国造成了巨大的损失。在抗震抢险救灾中公路交通运输是抢救人民生命财产、尽快恢复生产和重建家园的重要环节。遍布的道路交通犹如全身的血管,由此可知道路交通的重要性，而公路桥梁作为道路交通

的一部分，其重要性也可想而知．而桥梁工程作为重要的生命线工程，是交通运输的咽喉，在国家建设中起着举足轻重的作用，而在地震发生后为了紧急救援和抗震救灾的需要，其重要性就更为明显[1]。

一、桥梁结构地震破坏的主要形式

根据桥梁过去的地震破坏情况，除了如液化、断层等因地基失效引起的破坏以外，混凝土桥梁最常见的破坏形式有以下

四种[2]：

(一) 弯曲破坏

结构在水平地震荷载作用下由于过大的变形

导致混凝土保护层脱落、钢筋压屈和内部混凝土

压碎、崩裂，结构失去承载能力，如图1所示。整

个过程可以用以下四个阶段来描述：①当弯矩达

到开裂强度时，截面出现水平弯曲裂缝；②随着

裂缝的发展和荷载强度的提高，受震拉侧的纵筋

达到屈服强度；③随着变形量的增大，混凝土保

护层脱落、塑性变形范围扩大；④钢筋压屈(或拉

断)和内部混凝土压碎、崩裂。

（二）剪切破坏(弯剪破坏) 剪切破坏是桥梁在水平地震荷载作用下，当结构受到的剪切力超过截面剪切强度时发生剪切破坏，如图2所示。整个破坏过程也可以用四个阶段来描述：①截面弯矩达到开裂强度时，截面出现水

平弯曲裂缝；②随着裂缝的发展和荷载强度的提

高，柱内出现斜方向的剪切裂缝；③局部剪切裂

缝增大，箍筋屈服导致剪切裂缝进一步增长；④

发生脆性的剪切破坏。

(三) 落梁破坏 当梁体的水平位移超过梁端支撑长度时发生落梁破坏是由于梁与桥墩(台)的相对位移过大，支座丧失约束能力后引起的一种破坏形式。发生在桥图

3

图1

图2

墩之间地震相对位移过大、梁的支撑长度不够、支座破坏、梁间地震碰撞等情况，如图3所示。

(四) 支座损伤

上部结构的地震惯性力通过支座传到下部结构，当传递荷载超过支座设计强度时支座发生损伤、破坏。支座损伤也是引起落梁破坏的主要原因。对于下部结构而言，支座损伤可以避免上结构的地震荷载传到桥墩，避免桥梁发生破坏，如图4所示。

二、桥梁的抗震设计原理

一定假设条件基础上的，尽管分析的手段在

不断提高，分析的理论在不断完善，但由于

地震作用的复杂性，地基影响的复杂性和桥

梁结构体系本身的复杂性，可能会导致理论

计算分析和实际状况相差很大。当前我国桥

梁的抗震设计原理主要有以下几种[3]：

图4 （一）静力法

静力法把地震加速度看作是桥梁结构破坏的唯一因素，忽略了结构本身动力特性对结构反应的影响应用存在较大局限性。事实上只有绝对钢性的物体才能认为在振动过程中各个部分与地震运动具有相同的振动所以只对刚度很大的结构例如重力桥墩、桥台等结构应用静力法近似计算。

（二）反应谱法

目前我国的公路及铁路桥梁均主要采用反应谱方法。反应谱法的思路是对桥梁结构进行动力特性分析(固对各主振动应用谱曲线作某强震记录的最大频率，主振型）地震反应计算最后一般通过统计理论对各主振型最大反应值进行组合，近似求得结构的整体最大反应值。

三、桥梁减震设计要点

对于地震区的桥型选择，宜按下列几个原则进行[4]：①尽量减轻结构的自重和降低其重心，以减小结构物的地震作用和内力。②提高稳定性，力求

使结构物的质量中心与刚度中心重合，以减小在地震中因扭转引起的附加地震力。③应协调结构物的长度和高度，以减少各部分不同性质的振动所造成的危害作用。④适当降低结构刚度，使用延性材料提高其变形能力，从而减少地震作用。⑤加强地基的调整和处理，以减小地基变形和防止地基失效[6]。

（一）结构的刚度对称

结构的刚度对称有利于抗震，不等跨的桥梁容易发生震害。特别是一座桥内墩身高度相差过大'在较矮的桥墩上会产生很大的地震水平力跨径不同。在大跨径的桥孔的桥墩上也产生大的地震力。设计时尽量避免在高烈度区采用这种桥型，如无法避免。宜在不利墩上设置消能措施降低墩顶集成刚度，例如设抗震支座等。

（二）适应地震作用

对桥梁抗震性加以分析研究，某类结构不能在地震区应提出更能内修建，在分析研究原有结构抗震性能的基础上，适应地震作用的结构型。其次对结构抗震设计不是被动地作为地震作用时结构强度、变位的验算，而是要从设计角度，提高结构的防震能力，要系统考虑结构的行为能力设计。

（三）以柔克刚

结合我国国情，研究结构控制的有效型式，加强抗震措施，必须采用“以柔克刚”的设想来考虑地震区结构抗震设防的“以刚克刚”的旧传统设防观，对地裂、地出发点，改变单纯的边坡倒塌、沙土液化时桥梁结构如何抗震设防也应该做出深入的研究。

（四）提高桥梁部件的延性

针对目前大量高架桥倒塌毁坏的教训，必须开展对抗震支座、各种型式桥墩的延性研究，要利用约束混凝土的概念预应力混凝土，而且可以提高它的延性。不但对钢筋混凝土、混凝土结构、混合结构的延性都需展开研究。

四、常见桥梁减震方法

常用的抗震方法增加结构的柔性以延长结构的自振周期，达到减小由于地震所产生的地震荷

载和增加结构的阻尼或能量耗散抗震橡胶支座

能力以减小由于地震所引起的结构反应是实用的抗震方法。当前，比较容易实现和有效的抗震方法主要有以下几种：

（一）采用隔震支座

大量的试验和理论分析都表明其联结方式对桥梁结构的地震反应有很大的影响在梁体与墩、台的联结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力[5]。采用隔震支座，采用减、隔震支座（聚四氟乙烯支座、叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座等)在梁体与墩、台的连接处增加结隔震支座桥构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应；采用减、梁结构的梁体通过支座与墩、台相联结，大量的试验和理论分析都表明其联结方式对桥梁结构的地震反应有很大的影响，在梁体与墩、台的联结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力。

（二）利用桥墩延性减震

利用桥墩的延性减震是当前桥梁

抗震设计中常用的方法[6]。桥墩延性

减震是将桥墩某些部位设计得具有足

够的延性，以便在强震作用下使这些

部位形成稳定的延性塑性铰产生弹塑

性变形来延长结构周期、耗散地震能量，在进行延性抗震设计时，按弹性反应谱计算塑性反应的地震荷载需要修正，桥梁抗震设计规范采用了综合影响系数来反映塑性变形的影响，其理论依据是，当结构进入塑性阶段时，地震荷载可以比弹性结构的地震荷载折结构综合影响系数主要考虑了这一因素。

（三）采用减震的新结构

型钢混凝土结构是在混凝土上包裹型钢

做成的结构[7]。它与钢筋混凝土结构相比具

有一系列优点，其承载力可以高于同样外形

的钢筋混凝土构件承载力—倍以上，并具有

较好的抗剪能力，延性比明显高于钢筋混凝

土结构，滞回曲线较为饱满，耗能能力有显著的提高，从而呈现出良好的抗

震性能，能够隔离、吸收和耗散地震能量减小桥梁结构的地震反应，使桥梁碳纤维加固，植筋锚固

抗震桥梁伸缩缝

的变形限制在弹性范围，避免由于产生塑性变形而造成累积损伤破坏和永久残余变形，这大大提高了桥梁结构的安全度，同时可以节约材料，降低造价。其次，混凝土中的型钢除采用轧制型钢外，还广泛使用焊接型钢，常用的截面型式有H型、T型、u型等，'ET而采用矩形及圆钢管混凝土结构是在型钢混凝上结构、螺旋配筋混凝上结构以及钢管结构的基础上演变和发展起来的一种新型结构。

五、结语

虽然目前地震还不可有效的预测，但是只要我们通过研究认识到地震对结构的破坏规律，我们就能通过一定的抗震设防原则制定相关的抗震设防措施并控制好施工质量，这样就能尽量减低震害的影响。

参考文献

[1]陈尧三，赵铁永，石丽芳．关于桥梁抗震设计的几点思考[J]．科技资讯，2008(2):24-26．

[2]董淑艳，姚凯．简述桥梁结构的震害及主要抗震设计方法[J]．中国建设信息，2008(16):35-38．

[3]扬传永．公路桥梁抗震设计细则分析[J]．安徽建筑工业学院学报(自然科学版)，2009(3):5-9．

[4]刘印华．探讨桥梁抗震设计的方法与注意事项[J]．广东科技.2009(12):14-17.

[5]叶爱君，范立础．大型桥梁工程的抗震设防标准探讨[J]．地震工程与工程振动,2006(2):22-25．

[6]齐怀恩，王光远．公路桥梁抗震设防标准的研究[J]东北公路，1999(4):31-35．

[7]王东升，郭恩栋，柳春光，翟桐．钢筋混凝土圆形截面柱式桥墩抗震性能评价[J]. 世界地震工程,2O01(1):12-16．