桥梁抗震体系

桥梁抗震体系

内容摘要：在桥梁设计中，现行的通常做法是仅对桥粱进行简单抗震设防，桥粱结构设计工程师应努力掌握更多的结构抗震知识，提高抗震设防意识。本文分析了桥梁的震害特征和原因，阐述了桥梁抗震设计的具体原则和方法。

关键词：抗震设计；桥梁；地基与基础

一．概述

我国是世界上地震活动最为强烈的国家之一，今年5月份的四川汶川大地震造成了令人触目惊心的损失，作为结构设计工程师，必须充分认识到自己的职责所在，尽可能得利用自己掌握的专业知识，合理提高结构物的抗震能力。尽量减少地震带来的灾害。

二．桥梁的震害及特征

对国内外震害的调查表明，在过去的地震中，有许多桥梁遭受了不同程度的破坏，其主要震害有以下几点。

1．桥台震害

桥台的震害主要表现为桥台与路基一起向河心滑移，导致桩柱式桥台的桩柱倾斜、折断和开裂：霞力式桥台胸墙开裂，台体移动、下沉和转动；桥头引道沉降，翼墙损坏、开裂，施工缝错工、开裂以及因与主梁相撞而损坏。桥台的滑移与倾斜会进一步使主梁受压破坏，甚至使主梁坍毁。

2．桥墩震害

桥墩震害主要表现为桥墩沉降、倾斜、移位，墩身开裂、剪断，受压缘混凝土崩溃。钢筋裸露屈曲，桥墩与基础连接处开裂、折断等。

3．支座震害

在地震力的作用下，由于支座设计没有充分考虑抗震的要求，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，从而造成如支座锚同螺栓拔出、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f专递形式的变化，进而对结构的其他部位产生不利的影响。

4．梁的震害

桥梁最严重的震害现象是主梁坠落。落梁主要是由于桥台、桥墩倾斜、倒塌，支座破坏．梁体碰撞，相邻墩间发生过大相对位移等引起的。

5．地基与基础震害

地基与基础的严重破坏是导致桥梁倒塌。并在震后难以修复使用的蕈要原因。地基破坏主要是指因砂土液化、不均匀沉降及稳定性不够等因数导致的地层水平滑移、下沉、断裂。基础的破坏与地基的破坏紧密相关，地基破坏一般都会导致基础的破坏，主要表现为移位、倾斜、下沉、折断和屈曲失稳。

6．另外桥梁结构的震害还表现在：结构构。造及连接不当所造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成的桥台沉降或斜度过大而造成墩台承受过大的扭矩引起的破坏。

三．桥梁的震害原因

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：

1．地震位移造成的粱式桥梁上部活动节点处因盖梁宽度设置不足导致落梁或粱体相互碰撞引起的破坏。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.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，而简支粱桥对此尤为明显。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，由于支座设计没有克分考虑抗震要求。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，从而造成如支座锚同螺栓拔出、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．另外桥粱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。

四．公路桥梁抗震设防原则及分类

1．设防原则

桥梁结构抗震设计的基本思想和设计准则是制定设计规范的重中之重，它决定了抗震设计要达到的目标、地震动水平和结构对地震反应的汁算方法。我国现行的《公路桥梁抗震设计规范》(JTJ004—89)采用的是单一水准的抗震设防思想，进行了基本烈度(中震)下的抗震指引。基本烈度是由中国地震烈度区划图确定的。该规范7度、8度和9度地区相应的地震最大动加速度设计值分别取0.1 g，0.2g和0.4g （g为重力加速度)。

另外，根据线路等级和结构重要性以及修复的难易程度，采用重要性修正系数对结构的地震作用进行修正。但公路桥梁抗震设计规范的重点放在梁式桥墩台和一般跨径的拱桥上，较少详尽考虑刚架拱桥、连续刚构、斜拉桥、超过150m 的粱式桥等。因此，单一的抗震强度设防思想在目前我国公路桥梁抗震设计中有待完善。

2．震级和烈度

震级：反映某次地震震源释放能量的多少。

烈度：表示某一地区的地面和各类建筑物遭受某一次地震影响的强弱程度，是反映某个指定场地的地面运动效应的尺度。烈度以描述震害宏观现象为主，根据建筑物的破坏程度、地貌变化特征、地震时人的感觉、家具器物的反应等方面进行分级。

由此可见．震级是定量概念，与某次地震对应；烈度是定性概念，与某次地震非一一对应，但与结构的破坏程度和地震动峰值加速度对应。因此，设防烈度才是抗震设计的主要依据。

五．桥梁抗震设计及措施

结构抗震设计的基本思想和设计原则是制定规范的最重要之处，它决定了抗震设计要达到的目标、采用的设计地震动水平和地震反应的计算方法。

1．桥梁抗震设计原则

1）结合地形、地质条件、工程规模及震害经验，合理选择桥型及墩台、基础形式。

2）同一座桥中．尽景避免高墩与大跨的结合。宜采用减少上部结构自重并有利于抗震的结构形式。

3）体形简单、自重轻、刚度和质量分布均匀、重心低、便于施工。

4）采用有利于提高结构整体性的连接方式．墩台结构采取提高其延性、震动衰减快的相关措施，必要时设置减隔震支座．塑性铰等防震装置。

5）尽可能采用技术先进、经济合理、便于修复加固的结构体系。

6）进一步开展减震、隔震支座的研究和应用；加强钢筋混凝土桥墩的延性分析与计算。确定桥墩塑性铰区域的范围。

7）对于高墩、大跨的特殊桥梁．应进行专题抗震设计与研究。

2．总体设计中应注意的问题

根据桥梁震害的分析知道，地震对桥梁的破坏作用，不仅与桥梁的结构本身有关，还与所处的场地、地基及地形地貌等有关。抗震设计中除了进行抗震设计计算外．桥位选择、桥型选择、结构体系布置、结构构造设计同样重要。

1）桥位选择

选择桥址时，应避开地震时可能发生地基失效的松软场地，选择孥硬场地。基岩、坚实的碎石类地基、硬粘土地基足理想的桥址场地；饱和松散粉细砂、人工填土和极软的粘土地基或不稳定的坡地都足危险地区。拱桥应尽量避免跨越断层，特殊困难情况下应进行地震安全性评价。

2）桥型选择

桥梁应结合地形、地质条件、工程规模及震害经验，选择合理的桥型及墩台、基础型式。宜尽可能采用技术先进、经济合理、便于修复加固的结构体系。可以考虑采用减震的新结构，比如型钢混凝土结构等。

3）桥孔布置

桥孔宜选用有利于抗震的等跨布置．并尽量避免高墩与大跨的结合。宜体形

简单、自重轻、刚度和质量分布均匀、重心低、便于施工。位于地震后可能形成泥石流沟谷上的桥梁，孔跨和桥下净高宜根据流域内的地形、地质情况酌情加大。

3．桥梁抗震构造措施

1）基础抗震措施

应加强基础的整体性和刚度，同时采取减轻上部荷载等相应措施，以防止地震引起动态和永久的不均匀变形。在可能发生地震液化的地基上建桥时．应采用深基础，使桩或沉井穿过可能液化的土层埋人较稳定密实的土层内一定深度。并在桩的上部，离地面l—3m的范围内加强钢筋布设。

2）桥台抗震措施

桥台胸墙应适当加强，并增加配筋。在粱与梁之问和梁与桥台胸墙之间应设置弹性垫块，以缓和地震的冲击力。采用浅基的小桥和通道应加强下部的支撑梁板或做满河床铺砌。使结构尽量保持四铰框架的结构，以防止墩台在地震时滑移。

当桥位难以避免液化土或软土地基时，应使桥梁中线与河流正交，并适当增加桥长，使桥台位于稳定的河岸上。桥台高度宜控制在8 m以内；当台位处的路堤高度大于8 m时，桥台应选择在地形平坦、横坡较缓、离主沟槽较远且地质条件相对较好的地段通过，并尽量降低高度，将台身埋置在路堤填方内，台周路堤边坡脚设置浆砌片石或混凝土挡墙进行防护，桥台基础酌留富余量。

如果地基条件允许，应尽量采用整体性强的T形、U形或箱形桥台，对于桩柱式桥台．宜采用埋置式。对柱式桥台和肋板式桥台，宜先填土压实。再钻孔或开挖，以保证填土的密实度。为防止砂土在地震时液化，台背宜用非透水性填料，并逐层夯实，要注意防水和排水措施。

3）桥墩抗震措施

利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法。高墩宜采用钢筋混凝土结构，宜采用空心截面。可适当加大桩、柱直径或采用双排的柱式墩和排架桩墩，桩、柱间设置横系梁等，提高其抗弯延性和抗剪强度。在桥墩塑性铰区域及紧接承台下桩基的适当范围内应加强箍筋配置。墩柱的箍筋间距对延性影响很大，间距越小延性越大。桥墩的高度相差过大时矮墩将因刚度大而最先破坏。可将矮墩放置在钢套筒垦来调整墩柱的刚度和强度，套筒下端的标高同其他桥墩的地面标高。

4）支撑连接构件抗震措施

墩台顶帽上均应设置防止落粱措施，加纵、横向挡块以限制支座的位移和滑动。橡胶支座具有一定的消能作用，对抗震有利。在不利墩上还应采用减隔震支座(聚四氟乙烯支座、叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座等)及塑性铰等消能防震装置等。

选用伸缩缝时，应使其变形能力满足预计地震产生的化移，并使伸缩缝支承面有足够的宽度，同时设置限位器与剪力键。

5）上部结构抗震措施

落粱震害极为常见。实践证明，加强上部结构的整体性，限制其位移，是提高桥梁上部结构抗震能力的有效措施。预防措施有：

（1）通常在梁(板)底部加焊钢板，或采用纵、横向约束装置限制梁的位移，如拉杆、钢筋砼挡块、锚杆等，梁与墩帽用锚栓连接，T梁在端横隔板之间螺栓连接。曲梁桥，应采用上、下部之间用锚栓连接的方式。桥梁的支座锚栓、销钉、剪力键等应有足够的强度。

(2）梁端至墩台帽或盖梁边缘的距离，以及挂梁与悬臂的搭接长度必须满足地震时位移的要求。

(3）桥梁跨径较大时，可用连续梁替代简支梁以减少伸缩缝，宜采用箱型截面。

(4)当采用多跨简支梁时，应加强梁(板)之间的纵、横向联系，将桥面做成连续，或采用先简支后结构连续的构造措施。

(5)采用真空压浆方法，保证预应力管道水泥浆饱满，提高预应力桥梁的强度和刚度。

6)结点抗震措施

桥梁结点区域一旦受损将难以修复。城市高架桥墩柱的结点、桥墩与盖梁的结点、桥墩与基础的结点等，是保证桥梁整体工作的重要构件。在桥梁抗震设计中，除了保证墩、梁有足够的承载力和延性外，还要保证桥梁结点有足够的承载力，避免结点过早破坏，即“强节点，弱构件”。

六．桥梁抗震设计的几点建议

1．尽量采用连续的桥跨代替简支粱跨．进而减少伸缩缝的数量。降低在此

处落梁的可能性同时也提高了桥上行车的舒适性。

2．对采用橡胶支座而无困定支座的桥跨。应加设防移角钢或设置挡轨．作为支座的抗震设计。

3．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。

4．位于常年有水河流上的特大桥、大中桥．当地基为液化土或软土时．其墩台基础应采用桩基础，且桩尖埋入稳定土层内一定深度。

5．高墩宜采用钢筋混凝土结构．按照延性要求进行设计。在桥墩塑性铰区域及紧接承台下桩基的适当范围内应加强箍筋配置．

6.在高烈度地震区．尽可能地采用整体性和规则性较好的桥梁结构体系．结构的几何尺寸、质量和刚度力求均匀、对称、规则，避免突变的出现；从几何线性上看，尽量选用直线桥梁。

7.设置多道抗震防线，尽可能用超静定结构．少采用静定结构。

8.对于较高的排架桥墩．墩之间应增设横系梁以减少墩柱的横向何移和设计弯矩。

9.选择合理的连接形式对桥梁抗震性能十分重要。对于高墩桥梁．建议采用上部结构与下部结构有选择性的刚性连接：对于矮墩桥梁．上部结构和下部结构连接建议采用支座连接方式。并合理设置梁墩的搭接长度。

七．结论

桥梁结构抗震设计是桥梁设计中的重要环节．在当前我国的高速公路、铁路正处在大规模建设之际，桥梁结构的安全问题更不容忽视。在桥梁设计中需采取一系列有效的抗震措施．进一步提高和完善桥梁的安全性、适用性、耐久性和社会效应性。

参考文献

【1】张翠浅谈桥梁的抗震设计2010

【2】范立础王君杰桥梁抗震设计规范的现状与发展趋势2000

【3】陈世九桥梁震害与抗震设计措施建材世界2009