公路桥梁结构抗震设计

闫新文

临汾市交通勘察设计院山西临汾041000

摘要：在对公路桥梁的结构设计中，要对抗震设计予以重视，以确保公路桥梁投入使用后提高安全系数，对人民的生命财产起到保障作用。本文首先说明了公路桥梁的主要震害，然后结合具体工程案例详细阐述了公路桥梁结构抗震设计的措施。

关键词：公路桥梁；抗震设计；时程分析；桩基础；减震

一、公路桥梁的主要震害

地震是在非常大的应力作用下形成的，使得地球内部的介质破裂而产生地震波。介质破裂的位置就是地震源，逐渐向四周扩散，使得地面产生振动。地震波的传播方向不同，横向的地震波为横波；纵向的地震波为纵波。地震波的类型通过建筑物波动的状态就可以明确。如果建筑物正处于水平晃动的状态，即为横波；建筑物正处于上下颠簸的状态，即为纵波。地震作用下，建筑物会产生变形，随着局部失去稳定性，就会使得建筑结构被破坏。公路桥梁结构在地震作用引起的危害，主要包括四种破坏方式，其一为支座破坏；其二为上部结构地震破坏；其三为下部结构破坏；其四为地基土地震液化。

桥梁上部与支座的连接是非常紧密的。如果地震产生，就会导致支座产生破坏。在没有采取必要的防御措施的情况下，支座发生变形，并出现位移，如果变形的程度非常大，已经超过了支座的最大局限的时候，就会导致支座锚固螺栓剪断，支座的整个结构就会遭破坏。

桥梁的上部结构遭到地震破坏，就是地震发生，桥梁上部位置的主梁结构在地震的作用下晃动，触碰到邻近的主梁，就会造成严重的损坏。如果地震作用下主梁产生了很大的变形，就会引起由于移位导致的损伤以及自身的损伤，很容易使得主梁发生坠落。

由于地震作用而导致的下部结构破坏，主要是桥梁的桥墩和桥台在地震的作用下遭到破坏。当地震产生的时候，桥梁的桥墩和桥台会产生滑移而引起变形，包括开裂而引发结构变形，甚至会产生倾斜或者折断的问题。桥墩和桥台都与桥梁的基础相互连接，必然会对桥梁的基础产生不良影响。

二、工程概况

某桥梁为钢筋混凝土结构，桥梁的总体长度为280.36米。整个桥梁共分为三联，上部结构形式均为预应力混凝土连续箱梁。从桥梁的行车速度来看，本项目主线设计行车速度为每小时80公里，匝道的行车速度为每小时40公里。从地震设计的各项指标来看，地震为Ⅸ度的基本烈度，地震动峰值的加速度为0.40g。整个的桥梁结构设计的结构重要性系数设定为1.1，属于是一级安全等级。地震动反应谱的特征周期为0.65秒，桥下的净空超过5米。

三、公路桥梁结构抗震设计的措施

（一）抗震设计方法

1、时程分析法

该方法主要是进行结构抗震分析时将有限元分析计算与计算机编程相结合。时程分析法在应用时首先需要将桥梁结构通过有限元软件离散成多自由度和多节点的有限元计算模型，随后将地震加速度时程导入其中，将结构的地震反应时程通过有限元软件进行分析计算得出。

2、反应谱法

在我国目前在公路、铁路及桥梁抗震设计中，反应谱法应用最为普遍。反应谱法首先需要认真分析桥梁结构自身的动力特性，随后将应用谱曲线对于不同的主振型记录下某一强震下的最大地震反应值，最后对不同主振型的最大地震反应值进行最不利组合，从而确定桥梁结构的最大地震反应值。在抗震设计过程中，反应谱法的应用能够确保结构具有较高的安全储备和安全的设计施工方案。

3、静力法

静力法设计一般不会对桥梁结构本身的动力特性影响进行考虑，认为桥梁结构地震破坏的唯一因素就是地震加速度。在设计过程中，只考虑构件组件的结构静力分析，将其作为绝对刚性的物体。

（二）桩基础和墩柱设计

对潜在的塑性铰区单柱墩底部，根据地震作用情况下墩柱的配筋可以计算得出。同时，根据桥的顺向与横向弯曲极限值计算，至关重要的因素是材料强度、最不利的轴向力和超强系数。弯曲极限值与剪力、轴力值的组合，就能得到0桩径最佳组合，桩此时应保持弹性的状态，与此同时，根据桩的荷载设计规范计算具体的弹性状态，保证承受力在桩的承受范围内。

在设计桩的基础过程中，太多的因素需要考虑，弯曲极限值是重中之重，因为它能决定桩基础配筋的数量与形式，还可以根据相应的剪力值得到墩的高；设计计算轴力值时，通常需要综合桥宽、跨数、跨径等。此设计选用最简单的形式进行计算，采用关键性因素假设的方法进行计算，然后得出最合适桥梁结构。桩基础设计，最重要的部分是竖向承载力的相关计算，通过计算得到桩径和组合：桥宽度13m和17m，3桩桩基础或选用以上的群桩施工；当桥梁宽度9.5m和8m，双桩结构为桩基础。计算结束后，再重点检查桥梁的使用轴力与剪力值，确保强度满足要求。

（三）提高结构抗震性能的方法

对于桥梁抗震的设计应体现于桥梁设计的全过程，一旦确定下来桥梁的设计方案，就要将重点放在如何实现抗震性能上，通过计算和验算得到最佳的设计方案。

1、隔震支座法

目前使用最多的抗震方法就是隔震支座法。此方法能很大程度上提高桥梁的弹性与阻力，从而减少地震对桥梁的地震力。具体的实现方法是：利用隔震支座和墩、台接触面，设计或新材料的使用，来提高桥梁结构的弹性和阻力。大量实验表明，这种方法是有效的，而且性能较稳定，可以作为一个长期的桥梁减震方案的选择。这种方法可以有效地减少水平地震力对桥梁的影响，完全减轻地震对桥梁的破坏，保证桥梁能够安全运行。

2、通过隔震支座和阻尼器结合来提高抗震性

隔震支座具有极好的抗震性，除了增加隔震支座，也可以采用提高阻尼的方法来提高桥梁的抗震性，两者可以有效地进行结合，共同作用提高桥梁抗震性。隔震支座与阻尼器可以确保桥在地震的影响下变形，很好地吸收地震产生的能量，将地震对桥梁的损伤降到最小，从而彻底地提高桥梁抗震性能。

（四）其他设计措施

1、在进行桥轴线设计时，直线设计是最为合适的。由于曲线梁的结构过于复杂，施工人员不好进行操作，而且抗震效果也不是特别的显著，所以一般选用的设计都为直线设计。为了保证桥面的连续性，在抗震设计时，设计人员最好不要采用伸缩缝式的设计方案。

2、公路桥梁建设的基础应尽可能在坚硬的土地上进行建设，尽量避免在软土、砂土上进行操作。坚硬的土地可以确保桥梁顺利的建设，从而避免自然灾害对桥体带来的损害。另外，在岩石等坚硬地基上进行作业的桥梁可以确保桥墩的刚度相同，发生地震时，抗震效果就能发挥到最佳。

3、边梁两端与桥柱间应该留有足够的缝隙，防止在地震发生的时候发生落梁的情况。

4、桥墩的上部结构通常会放置很多钢筋为混结构限位块，防止在地震产生的情况下发生横线位移的情况。

5、在桥台背墙和梁段间加胶块，能够很好地缓冲水平方向的地震力。

6、小跨径的桥墩是桥梁工程中首选材料之一，这种材料可以降低墩柱的延伸性，减小墩柱的轴向力。另外，为了方便后期的检测、修复，在建设过程中，相关人员要对墩柱设置塑性铰。

结语

综上，公路桥梁在结构设计中不仅结构复杂，而且需要重视抗震设计。在具体的结构设计工作中，要对地震的危害以及需要遵循的原则进行分析，根据分析结构制定抗震措施，以确保公路桥梁的使用性能得以充分发挥，且发挥延长公路桥梁使用寿命的作用。

参考文献

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[2]张美娜，金旭昌.基于性能的桥梁结构抗震设计研究进展[J].辽宁省交通高等专科学校学报.2012（03）

[3]庄泳浩，刘芳.公路桥梁结构的抗震设计要点分析[J].中国市政工程.2011（04）