浅析自然灾害影响较大地区的桥梁安全结构设计

摘要：在我国自然灾害频发的地区，桥梁在整个公路建设路线中占的比例很大。地域性自然灾害频发的地区，地质条件相对比较复杂，滑坡、岩溶、崩塌、陡崖以及不稳定斜坡等不良地质现象普遍存在。同时这些地区要搭建的桥梁较多，桥型各异，给桥梁安全结构设计带来了难题。因此，我们要从桥梁所在地域实际情况出发，积极借鉴并引进国外先进的技术和方法，从桥梁的构造、结构体系和设计理念等角度做好地域性自然灾害频发地区桥梁的安全性设计工作。本文分析了影响桥梁安全性设计的主要因素，并就地域性自然灾害频发的桥梁结构安全设计进行了设计要点的探讨。

关键词：自然灾害；桥梁；安全；结构设计

中图分类号：B845.67文献标识码： A

一、影响桥梁安全性设计的主要因素

（一）设计人员缺乏经验，对建设地区的灾害情况认识不够

设计人员是整个桥梁建设的先行者，需要根据不同的环境条件，不同的设计对象，以及不同结构构造要求进行设计工作，只有设计人员对桥梁所在地实际情况进行大量的调查、并对收集的各相关资料进行了充分的分析研究后，才能根据各方面的情况进行设计。然而有些设计人员专业素质较为低下，对桥梁的构造方式和建设地区的地质环境没有进行深入详细的了解，只在设计中对结构进行生搬硬套，造成设计与施工相互脱节，设计环节频繁出错、计算图式不明确或者是临时修改设计方案等等；或设计人员只重视结构安全强度设计，忽略了结构整体体系、结构维护、结构耐久性和材料性能等级的重要性，进一步降低了桥梁的安全性。

（二）不能选择经济合理的设计方案

结构设计的首要任务是选择安全、经济合理的结构方案，其次是对方案结构进行分析，接着是构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。桥梁工程是一个由基础、墩台、支座及上部桥跨结构等组成的一个系统结构，各结构不仅本身要有足够强度和耐久性，而且要满足整个桥梁的安全性和耐久性。目前一些设计人员进行设计时，对结构的整体性、安全性和耐久性考虑不够，造成有的结构整体性延性不足，冗余度过小，有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大，强度要求过低，保护层厚度过小及构件截面过薄和过大。这些都在一定程度上削弱了结构耐久性，严重影响混凝土结构的安全性。不少桥梁虽然满足了设计规范的强度要求，但仅用了5年—10年就因为耐久性出了问题影响结构安全。结构耐久性差已成为一个普遍存在的问题，设计时要从材料、构造等角度采取措施加强结构耐久性。

二、自然灾害影响较大地区的桥梁安全结构设计

（一）针对混凝土结构裂缝防治的设计

通常情况下，除了强烈的自然灾害因素外，很多地区混凝土结构的损坏，都是由混凝土出现裂缝而造成的。特别是在自然灾害频发地区，裂缝的出现使得侵蚀的速度大大加快，为混凝土结构的耐久性的不断退化提供了恶性循环的条件。再加上环境因素的侵蚀作用，会使混凝土的渗透性大大增加，混凝土的耐久性很快下降等，严重影响了桥梁混凝土的结构和质量，给桥梁安全带来了较大的威胁。因此，如何防止或有效控制混凝土裂缝的出现，对于提高混凝土结构的耐久性十分关键，这也是开展桥梁结构安全性设计的一个重要内容。此外，对于混凝土裂缝的有效控制，除了要严格按照设计要求与规范对工作裂缝进行控制外，还要采取一定的构造措施，对施工或使用过程中出现的非工作裂缝进行合理控制。在《桥规JTGD62 》中，对于箍筋和水平防裂钢筋在控制裂缝中的作用有所加强和突出，对于箍筋间距的规定与水平防裂钢筋的配筋率有了一定的提高，这强调和突出了构造措施对于防止或控制裂缝的重要作用和地位。

（二）针对防腐材料在桥梁结构中应用的设计

在地域性自然灾害频发地区，很多桥梁为现浇普通钢筋混凝土结构，跨径长度在 16m ～ 25m 之间，这种桥梁负弯矩区钢筋的锈蚀问题十分常见。因为，通常使用的普通的混凝土结构是一种必然地带裂缝工作的结构，这在负弯矩区就很容易出现负弯矩裂缝，这种裂缝是一种开口向上的“ V ”形裂缝，桥面上的积水很容易渗入裂缝。因此，遭受了长期的侵蚀后，负弯矩钢筋的锈蚀问题就十分严重了。鉴于此，要考虑采用环氧树脂涂层钢筋，这是一种由国外引进的较先进的钢筋结构。为了很好地保证混凝土结构的防锈蚀性和耐久性，可以将这种环氧树脂涂层钢筋适量地应用在一般的钢筋混凝土负弯矩区钢筋中。

（三）桥梁抗震设计

地震作为一种严重自然灾害不仅因其巨大能量释放而造成大量地面构筑物和各种设施的破坏与倒塌；且次生灾害中因交通及其他设施的毁坏而造成的间接经济损失更是十分巨大。我国是一个多地震的国家，最近20年来，桥梁建设快速发展，各种形式的桥梁(如大跨

度斜拉桥、悬索桥、拱桥及各种复杂的城市立交工程)大量涌现，桥梁抗震设计中凸显了大量必须面对的现实问题。自然灾害频发地区的抗震设计可从以下方面着手。

1、结构的抗震延性设计

当前统一规定结构延性抗震设计指标是有困难的,应当依据结构的动态地震反应特征、结构形式与功能要求,对结构进行分类,进行以下两个方面的深入研究:其一,确定在满足工程实际要求且具有良好耗能能力的塑性铰设置方案,在对应非线性变形模式下,结合结构功能要求,得到不同水准下的延性能力指标,规定出相应的能力设计参数与构造要求。其二,具有与延性能力指标可比的参数就是结构在地震作用下的延性响应,由于地震作用的复杂性,直接应用非线性变形模式求结构的位移响应,对设计人员来说太复杂了,一个较好的办法是在试验和分析统计基础上,找到结构在设计变形模式下的最大弹塑性位移与弹性位移之间的关系,利用位移考虑延性的反应谱求得结构的弹塑性位移响应,确定结构的位移延性响应。对以上问题的研究,可以结合目前广泛使用的隔震、减震体系进行。

目前,所研究的墩柱截面限于圆形和矩形,对其他截面形式的延性抗震研究还很少,为适应工程发展的需要和改进墩柱的抗震能力,需要进一步进行其它截面形式(如空心截面)的延性能力及设防标准进行研究,在考虑经济与抗震性能的基础上,进行新的具有更好抗震能力的墩柱结构形式和新型材料在桥梁抗震中的应用等研究。

随着桥梁建设的发展和需要,高墩大跨桥梁逐渐增多,这种结构的周期较长,高振型的参与量大,竖向地震作用的影响大,延性能力低,其延性抗震设计与一般结构不同,需要在计算分析和试验的基础上,考虑较复杂的变形模式,进行这类结构的设计方法和设计参数的研究

2、结构抗震构造处理

抗震构造设计包括抗震构造及构造规定，如梁端限位措施及支承面最小宽度等。抗震构造物的内力在地震力分析中也许很难精确的分析，但却能起到很好的效果，从而防止落梁等极端震害的发生。

3、落梁预防设计

为了防止落梁的发生，应在梁端至墩、台帽或盖梁边缘留有一定的距离，或在墩台或梁体上设置各种防落梁装置，在地震力等的作用下以限制上下部结构的相对位移，提高桥梁抗震性能。除落梁构造外，我们还可以通过以下的细部设计来提高结构的抗震性能：当使用刚性支座时，由于限制了上部结构的位移，所以下部结构会承担极大的瞬时水平力，导致墩柱的破坏。因此设计时应尽量采用橡胶支座，在承担同样的竖向力的同时，抵抗不同程度的地震水平力，该作用力由各桥梁刚度分配，在位移超过一定限度时由防落梁构造协同工作。如果可能，多采用轻型钢材材料，减少上部自重，即减少了地震时的惯性力，提高整桥的抗震性能。对于简支梁桥，可采用桥面连续的形式，或各种梁间联系构造以提高整体抗震性能，降低落梁概率。对于特大桥梁也可考虑采用抗震、消能等构件改变结构振动周期，提高阻尼比以降低地震力。

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