公路桥梁设计及其抗震优化分析

王成

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摘要：公路桥梁作为基础交通设施的重要组成部分，同时也是震后抢险救灾的重要节点工程，其抗震设计和构造的合理性显得尤为重要。本文对公路桥梁设计与抗震性能进行了综合分析和优化研究，旨在提高公路桥梁在地震等自然灾害中的抗震能力，确保交通运输的可靠性和安全性。

关键词：公路桥梁设计；抗震优化；优化改进                                                                                                                           

我国地处太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压作用之间，尤其是20世纪90年代以来，我国因地震死亡人数达到55万，占全球地震死亡人数的53%；100多次破坏性地震袭击了我国22个省（自治区、直辖市），受灾面积达到30多万平方公里。

在地震灾害中，桥梁结构是重要的抢险救灾生命线节点工程。为提高桥梁结构的抗震能力，实现达标的抗震设计水准，我们应高度重视桥梁结构的抗震性能。本文结合桥梁震害的成因，阐述了我国桥梁抗震设计的发展历程。

一、成因

地震突发性强，难以预测，且具有极强的破坏性，往往在极短时间内就能够造成难以估量的损失

桥梁结构受地震的损害可以主要表现在以下几点:

（一）上部结构损伤的原因及机制

桥梁上部结构的震害主要是由于下部结构破坏或失效导致梁体发生位移震害以及相邻梁体之间的碰撞破坏。其中，位移震害比较常见，表现为梁体非正常的纵向、横向位移和扭转位移，其中落梁是最常见的一种形式。落梁的成因是地面运动引起的梁体移量过大，导致梁体滑出墩、台支撑面以外。在落梁过程中，大多数梁体能够保持完整，但会对下部结构产生冲击，从而引发桥梁连续性倒塌，进一步导致桥梁结构的严重损坏。

（二）支座结构损伤的原因及机制

震害是对支座影响最为显著的因素之一。例如，在日本阪神地震中，调查发现，高达28%的支座损坏。这些震害表现为支座滑移超限、锚固件被剪断或拔出、支座被挤出脱落、支座本体发生破坏等情况，这些都会改变结构内力的传递方式，对其他部分产生负面影响。这些震害主要是由于在设计阶段未充分估计到地震动能量，同时选择的支座型号及其抗震性能与桥梁所在地区的设防烈度不匹配。因此，为了保证桥梁的安全性能，必须对支座的设计和选择进行严谨的考虑和优化。

（三）下部结构损伤的原因及机制

若下部构件发生破坏，将会一系列无法修复的连锁反应。下部结构的震害主要包括地基与基础破坏、桥台沉陷以及墩柱破坏等。其主要原因是在面对自然灾害时，下部结构在极短的时间内受到多次往复振动和较大的水平惯性力所导致。此外，地基土液化、失效、滑坡以及断层错动等也可能导致下部结构发生震害。例如，1995年阪神大地震中，某条长达500米左右的高速公路的18根独柱墩被剪断，导致上部梁体侧向滑移并倾倒。因此，下部结构的安全性对于桥梁的稳定性和延长使用寿命具有至关重要的作用。

二、国内设计研究现状

我国的桥梁技术近年来得到了长足的发展，凭借着几代桥梁工程师的不懈探索，甚至在一些领域已经处于世界领先地位，成为了桥梁大国。然而，就算取得了巨大的成就，在桥梁设计尤其是抗震设计方面，我国仍然存在着许多问题和隐患，这是我们不能忽视的。

施工技术对道路桥梁的质量和工艺直接产生重要影响。随着中国基础设施建设行业的快速发展，许多先进的施工技术和工艺得以应用于工程建设中，施工技术和整体水平也得到了提升和改进。由此，道路桥梁工程的施工质量明显提升，工程质量得到了有效保障。

此外，随着勘察和监测仪器的不断完善和更新，行业对相关领域的认识也变得更加深入。工程师能够更准确地了解桥梁所在位置的场地和地质条件，从而更精确地模拟桥梁在各种作用下的力学模型的边界条件。同时，监测水平的提升也为桥梁结构设计提供了可靠的数据支持。

（一）标准的更新

抗震计算与承载能力等静力计算有着明显不同，对大多数工程师而言，其复杂性常常令人望而生畏。由于早期的计算水平相对滞后，许多工程师在进行桥梁抗震验算时往往束手无策。他们往往只是简单地依赖过往经验，忽略了规范的更新，也很少对先前设计成果进行仔细校核，这为未来桥梁结构的安全埋下了隐患。

但自2008年汶川地震以来，工程界对抗震设计的重要性有了更深刻的认识。相关部门陆续颁布了相关细则与规范，这使得抗震计算方法更加清晰，设计过程变得更具可操作性和依据性。工程界在抗震设计方面迈出了重要的一步，为确保桥梁结构的安全稳定奠定了坚实基础。

（二）审查程序的转变

桥梁在抗震方面存在着严峻的挑战，不仅缺乏完善的设计指导体系，而审查程序也存在诸多不足，尤其是在公路桥梁抗震设计方面。这种局面导致了勘察、设计等部门未能对桥梁所处的场地和地质条件进行充分勘察，设计文件中关于抗震设计的内容也显得模糊不清，从而极大地增加了桥梁结构发生震害的风险。

针对上述问题，国家正在逐步加强对桥梁结构抗震设计的审查程序，完善管理体系，使得桥梁结构的抗震设计审查逐渐趋于规范化。

 三、抗震设计要点

由于桥梁结构具有不确定性和空间性，因此抗震设计较为复杂。工程师需要从多方面综合考虑，以确定桥梁设计方案。一旦确定了基本的设计方案，就需要对相应的结构体系进行严格的抗震性能检测。通过检测，可以确定该方案形成的结构体系可能承受的最大地震等级。根据实际检测结果，必要时需要对桥梁设计进行调整或修改。在实际工程设计中，不同的场地和结构类型需要采取不同的抗震设计方法和措施。因此，在进行抗震设计时，需要注意以下几个要点：

（一）桥位的合理性

在进行选线设计时，应该综合考虑已经获取的工程地质资料，选择坚硬、平坦、土质均匀的有利地段进行桥梁布设，同时要避开软弱土层、断层等不利地段，以确保桥梁的安全性和稳定性。特别是在设计跨越河谷的桥梁时，由于河谷两岸可能存在滑坡、坍塌等风险，这些情况可能会对桥梁下部结构造成影响，因此在桥梁设计阶段必须采取合理的防护措施来应对潜在风险，确保桥梁结构的安全可靠性。

（二）抗震体系的合理性

在选择桥梁抗震体系时，应当优先考虑对称、规则的连续跨，以减少伸缩缝的设置。这一设计不仅可以降低桥梁发生落梁的可能性，还能提升行车的舒适性。此外，需要注意同一联中各桥墩的高度应尽量保持一致，斜桥的交角和弯桥的曲度也应减小至最佳状态。结构的刚度和强度应该均匀分布，以确保在面对挑战时，桥梁各个部位都能够共同承担抗力。

（三）抗震构造措施的合理性

抗震构造措施是根据抗震设计原则，针对结构和非结构各部分所采取的细部构造措施。这些措施不仅是按照抗震概念设计原则而制定的，而且在不需要进行结构受力计算的情况下进行设计。尽管抗震构造措施与结构受力计算无关，但对于提升桥梁的抗震性能起着至关重要的作用。

在进行抗震设计时，需要在墩梁之间设置限制梁体横向位移的防震挡块，以确保结构在地震作用下的稳定性。针对桥位处的不良土质，必须采取必要的加固措施，以确保结构的安全稳定。对于墩-桩、墩-台过渡部位，需要加强配筋，提高结构的延性变形能力，以增强结构对地震荷载的承载能力。

（四）合理使用减隔震装置

减隔震控制技术是指通过在建筑结构的特定位置安装特定的耗能装置或者特定的子结构，或通过向结构输入外部能量的方式，来改变结构的动力特性，以确保结构在地震等外部力作用下的安全性。这一技术的应用增强了结构的抗震性能，同时也降低了工程造价，成为一种行之有效的抗震设计方法。减隔震控制技术主要分为主动控制、被动控制以及混合控制等几种形式。

（五）合理考虑竖向地震作用

结构的随机性不仅仅体现在时间上，还体现在空间上。目前现有的抗震规范大多认为，结构的破坏主要是由水平振动引起的，竖向振动对结构的影响微乎其微。然而，一些学者提出了不同的观点。例如，钱培风教授认为，引起结构破坏的主要原因是竖向振动分量而不是水平振动分量，因此在进行抗震设计时，必须考虑竖向振动分量的影响。随着监测技术的不断提高，记录到的强震数据越来越多。近几十年来，国内外记录到的强震数据已经由以前单纯的水平方向记录变成三个方向的记录，即水平、竖向和横向分量。这表明，结构所受到的作用不仅仅是水平分量，同时还包括竖向分量。其中，竖向分量峰值大于水平分量峰值的情况并不少见。

我国《公路桥梁抗震设计细则》中也提到，抗震设防烈度为8度和9度的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构，竖向振动引起的效应非常重要。在设计这些结构时，必须同时考虑竖向和水平效应的不利组合。

四、结语

随着时间的推移，桥梁抗震设计已经成为了业界的一个热门话题。在桥梁抗震设计中，应避免将桥梁布设在不利或危险地段。同时，结合桥梁所处的场地和地质条件，选择合理的抗震结构体系，使结构的强度和刚度能够尽可能均匀分配，将地震力分散到结构的各个部位。此外，桥梁设计时也应选择合理的抗震构造措施，这可以在很大程度上提高桥梁的抗震性能。

对于大跨桥梁结构，尤其需要引起足够的重视的是竖向抗震设计。近年来，越来越多的竖向地震动分量被监测到，有些地震动的竖向分量甚至大于水平向分量，因此，桥梁结构的竖向抗震设计应该特别注意。

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