大跨度桥梁抗震设计要点探讨

大跨度桥梁抗震设计要点探讨

权新蕊

四川省交通运输厅交通勘察设计研究院四川成都610031

摘要：我国桥梁事业蓬勃发展，特别在大跨度斜拉桥方面的发展，大跨度桥梁在当地乃至国家的交通事业和经济发展中都具有举足轻重的地位；如果在地震中遭到破坏，不仅严重影响到震后的救灾工作，造成更大的经济损失，而且对于国家交通网的影响也是巨大的。为了保证大跨度桥梁的安全，必须对其进行严格的抗震设计。从延性抗震设计及桥梁减隔震设计等方面阐述了大跨度桥梁抗震设计重点，同时提出了相关建议。

关键词：大跨度桥梁；抗震设计；设计要点

一、大跨度桥梁抗震特点简介

1.1结构的延性特点

结构构件具有一定的延性性能是大跨度桥梁抗震的重要特点，利用其延性特点，能够有效地抵抗地震对桥梁带来的损坏。当地震发生时，经过延性处理的结构构件会发生塑性形变，产生允许范围内的破损，以非关键部件的损坏为代价保证桥梁结构不会发生坍塌，从而保证大跨度桥梁的安全。相应地，大跨度桥梁结构构件还需要具有一定的滞回特性。

1.2良好的减震隔震性能

大跨度桥梁一般采用铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座以及摩擦摆隔震支座等减震装置，使当强震发生时，桥梁先进入塑性区，利用减震装置的高阻尼消耗产生在桥梁结构的地震能量；另外大跨度桥梁一般还配备有隔震装置，利用隔震体系，阻止地震的能量进入到桥梁的结构中去，从而避免地震对桥梁的破坏。

二、大跨度桥梁抗震设计要点分析

大跨度桥梁的抗震设计通常分为两个阶段：第一阶段是方案的设计阶段，主要工作是进行抗震概念的设计，以实现抗震结构体系的科学合理；第二阶段是技术设计或初步设计阶段，主要工作是进行延性抗震设计，应参照相关的公式、原理对抗震性能进行验算，一般情况下还需要进行桥梁减隔震设计。

2.1桥梁减隔震设计

传统的桥梁结构设计中，一般比较常见的策略是“抗震”，抗震设计方法可以在一定程度上提高结构的安全性，避免桥梁结构坍塌现象的发生，但是从本质上看这种抗震设计是不能完全规避地震危害的目的。事实已证明，桥梁一些结构构件出现损伤是难以避免的，相比之下，结构控制技术在抗震上的效果要好得多，利用该技术只需将耗能支撑等装置安装在工程结构某个部位或通过施加外力的手段，使桥梁结构的动力特征给予改变，以确保其结构自身的安全性与可靠性。应用结构控制技术不但可以大大提升结构的抗震性能，还能节约工程投资造价的成本。在某些特殊情况下，只有运用结构控制技术，才能从根本上解决抗震问题。一般来说，结构控制技术主要可分为被动控制、主动控制和混合控制三种类型。

减震和隔震是现阶段大跨度桥梁抗震设计中应用比较广泛的两种方法，减震主要是通过一些特殊的减震装置或构件来发挥抗震的作用，在遇到强烈地震的时候，将这些装置提前放入到塑性区，使之产生较大的阻尼，可以大幅度消耗结构体系中的能量，最终达到减震的目的。隔震主要是利用隔震体系来阻隔地震能量，使之不能进入到桥梁的主体结构，常见的减隔震装置主要包括下面两类：（1）分离型减隔震装置，这类装置包括橡胶支座＋粘性材、橡胶支座＋金属阻尼器；（2）整体型减隔震装置，这类装置包括摩擦摆隔震支座、高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座。从减震方式上来看，减隔震技术和延性抗震二者具有极大的相似性，它们都是通过延长周期来达到避免地震能量集中的目的，但是二者的区别主要在于减隔震技术考虑的是怎样降低传输到桥梁结构上的地震能量，而延性抗震则是考虑的怎样提高桥梁结构自身抵御地震的能力。

2.2延性抗震设计

延性抗震将结构本身的延性耗能能力作为设计的重点，在实际设计的过程中强调增强结构本身及其构件的延性，针对构件和结构中允许出现的塑性部分进行独立的延性设计，尽管在延性设计中允许出现一定程度的塑性变形、破损等，但必须确保桥梁的整体稳定性不会受到影响，不会出现坍塌、沉降等后果。另外，设计人员还必须确保结构和构件的滞后滞回特性，这一特性能在一定程度上抵御因地震而带来的弹塑性变形。根据延性抗震设计的思路，利用变形破坏准则，设定一个破坏界限值，这一数值即为允许的最大变形值，要求结构发生最大位移必须在这一界限值之内。

2.3抗震结构设计

地震灾害本身具有一定的复杂性和不确定性，再加上每座桥梁实际情况和结构模型构建之间存在一定的差异，这就导致计算设计很难达到应有的抗震效果。因此，在实际设计时不能完全把抗震计算的数值作为参考，而决定桥梁结构抗震性能最主要因素是“概念设计”，所以桥梁设计方案的选择不能单纯地参照静力分析和功能要求就判断方案取舍，必须考虑到桥梁整体结构的抗震功能，尽量在满足其他要求的前提下，选择最为优良的抗震结构体系。抗震概念设计在多方面都具有较高的要求，尤其是在结构上下部的连接处，应将重点放在塑性铰预期部位的选择、过渡孔连接处的设计以及桥墩形式的选取上。在结构设计方面，必须站在整体的角度考虑，关注整个桥梁结构在遇到地震时的反应，并对地震破坏原理进行深入地研究和分析，了解结构破坏的整个过程及其特点。在抗震设计基本原则的选择上应灵活多变，既要确保整体结构的抗震能力，也要保证细节部位的抗震性能。除了坚持基本的原则外，还应做到以下三个方面：（1）对能力保护构件和延性的确认；（2）把握好延性与结构强度之间的关系，使二者趋于平衡；（3）确保抵抗水平地震墩台的位置和数量符合标准要求。为确保桥梁结构体系在现场施工条件下具备较强的抗震性能，应适当进行全面的分析，包括地震反应评估分析、动力特征分析等，结合工程设计的实际情况以及抗震薄弱部位，考虑是否需要采取构造或配筋设计手段来提高一些特殊部位抵御地震的能力，最后还应当按照分析得出的结果，对整个结构体系的抗震性能高低进行评价，并确定是否需要适当调整设计方案。

三、大跨度桥梁抗震加固措施

加固大跨度桥梁，优化桥梁的抗震功能，可以综合采用五种方法，即喷射混凝土、运用锚杆支护、挂钢筋网、采用钢支撑和用导管注浆支护。为桥梁表面喷射混凝土可以使整座桥梁从内到外能够很好的镶嵌与咬合，增加桥梁的密度以及黏结性，以此来起到避免桥梁出现裂缝和组成松动的作用，更重要的是防止在桥梁在地震过程中发生严重的坍塌现象。使用锚杆支护的目的是防止桥梁因为风吹日晒、长期使用、雨雪侵蚀以及跨度过大而加大裂缝，甚至出现桥梁变形，抗震、抗压功能降低。锚杆支护是通过向桥梁内部结构加固锚杆而加强内部结构的稳定性。它的使用原理是将之前的二维应力转为三维甚至多维的受力面，从而防止桥梁内表面的硬度的弱化以及受外部因素影响而产生的倾斜、变形甚至坍塌。它的主要作用是防止桥梁因剧烈的地震而发生倒塌。另外，采用悬吊式的锚杆支持就可以减轻桥梁内表面的不稳定性，同时在桥梁跨度偏小或者呈水平状的部位使用组合梁式的锚杆设计可以有效的增加桥梁结构的稳定性。但是，锚杆式的支护方法虽然可以有效加大桥梁内层表面的稳定性，但是在锚杆之间的缝隙较大，因此会在一定程度上滋生裂缝，使用挂钢筋网的支护方法就可以弥补锚杆式的缺陷，从而使得较为松散的桥梁组合材料能够有效整合到一起，弥补施工裂缝的缺陷，从外部施加压力，防止桥梁因为施工缝过大而抗震能力下降。钢支撑的支护方法的适用性较强，既可以弥补由于雨水的冲刷而造成的无法使用喷射混凝土和锚杆支护缺陷，也可以为在新桥梁提供有力的安全保护，同时，对于已经出现坍塌迹象的桥梁，也可以使用此方法进行加固。导管注浆支护的方法与锚杆的作用类似，它的作用是支撑桥梁纵向上的结构的稳定性，主要是用于跨度过大、过弯的部位与钢支撑未达到的部分，并起到有力的纵向压力支撑的作用。通过使用导管灌注砂浆加大锚杆与钢丝网之间的咬合度，从而进一步的增加桥梁结构的稳定性，避免桥梁因为剧烈的震动而出现坍塌迹象。

结束语

抗震设计对于大跨度的桥梁而言非常重要，大跨度桥梁的抗震设计比较复杂，只有加强对地震反应和特征进行分析，采取有效的抗震措施，强化抗震体系设计，才能够保证大跨度桥梁的抗震效果。

参考文献

[1]黄建华，张华刚.大跨度短撑杆式张弦桁架结构形式的研究[J].山西建筑，2010（24）.

[2]范晓明.大跨度桥梁抗震设计实用方法[J].城市建设理论研究（电子版），2016，（8）.