大跨度桥梁抗震设计方法及抗震加固技术

摘要：介绍了大跨度桥梁抗震设计的研究进展，提出了在桥梁抗震设计过程中应遵循的一些设计原则和桥梁减、隔震的有效措施，指出合理的结构形式和成功的抗震设计可以大大减轻甚至避免震害的产生，从而很好地达到桥梁结构的防震和抗震效果。同时也对国内的主要地震和桥梁震害进行了介绍，展望了桥梁抗震加固技术研究的发展趋势。

关键词：桥梁抗震设计，分级设防，延性抗震准则，抗震加固，现状，发展趋势

Abstract: the article introduces the large span bridge seismic design research, and put forward the bridge in seismic design process to be followed in some design principles and Bridges, reduce, the effective measures of isolation, and points out that the reasonable structure form and success of the seismic design can greatly reduce and avoid the generation of earthquake damage, which is very good to the shock and bridge structure seismic effect. At the same time also on domestic main earthquake damage and bridge are introduced, and looks forward to the seismic strengthening technology research bridge the development trend.

Keywords: bridge seismic design, grade fortified, ductility seismic standards, seismic strengthening, the current situation, development trend

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1引言

地震因其发生的突然性和巨大破坏力而被列为各种自然灾害之首。我国位于世界两大地震带：环太平洋地震带和欧亚大陆地震带之间，板内地震也十分活跃，因此，地震频繁发生。因地震而死亡的人数居各种自然灾害之首，约占54%，造成直接和间接经济损失十分巨大。特别是我国唐山大地震(1976年)和汶川大地震（2008年），使整个城市成为一片废墟。

随着我国现代化城市和经济的飞速发展，交通线路的重要性越加突出，公路交通是国民经济大动脉,同时,也是抗震救灾生命线工程之一。桥梁工程是公路工程的咽喉要道,在保障公路通畅中起着至关重要的作用。而一旦地震使交通线路瘫痪，将会给国家和人民带来极大的损失和不便。大跨度桥梁是交通运输的关键枢纽，对其进行有效的抗震设计，确保其抗震安全性意义深远。

2大跨度桥梁抗震设计研究进展

大跨度桥梁的抗震设计是一项综合性的工作，反应比较复杂，相应的抗震设计也比较复杂。目前，国内外现有的大多数桥梁工程抗震设计规范只适用于中等跨径的桥梁，超过使用范围的大跨度桥梁则没有可遵循的抗震设计规范，存在许多需要进一步解决的问题。

近30年来，美国、日本等一些国家的地震工程专家提出了分级设防的抗震设计思想，一般可概括为：小震不坏、中震可修、大震不倒。我国《公路工程抗震设计规范》规定地震烈度7度以上地区的新建桥梁都必须抗震设防。1997年美国应用技术委员会完成了一个科研项目(ATC-18)，提出了改进美国公路桥梁抗震设计规范的若干建议[1]。其中，最主要的建议是要采用两水平的抗震设计方法，即要求结构在两个概率水平的地震作用下，分别达到两个不同的性能标准。现行的日本规范已采用这一方法。

1975年，新西兰学者Park和Pauty提出了结构延性抗震设计理论中一个重要思想[2]――能力设计思想。在桥梁抗震设计中，为了使地震造成的破坏易于检查和维修，通常把桥墩选为延性构件，要求弯曲塑性铰出现在地面以上桥墩部分的顶部或底部，上部结构和地面以下的基础结构为能力保护构件。能力设计思想已越来越广泛地被国内外专家学者所接受。

3抗震设计

“小震不坏，中震可修，大震不倒”的分类设防抗震设计思想已广为接受，而能力设计思想也越来越广泛地被国内外专家学者所接受。能力设计思想要求在一座桥梁内部建立合理的强度级配，以保证地震破坏只发生在预定的部位，而且是可控制的。具体来说，要选择理想的塑性铰位置并进行仔细的配筋设计以保证其延性抗震能力；而不利的塑性铰位置或破坏机制（脆性破坏）则要通过提供足够的强度加以避免。

大跨度桥梁的抗震设计应分两阶段进行：1)在方案设计阶段进行抗震概念设计，选择一个较理想的抗震结构体系；2)在初步或技术设计阶段进行延性抗震设计，并根据能力设计思想进行抗震能力验算，必要时进行减、隔震设计提高结构的抗震能力。

3.1抗震概念设计

对结构抗震设计来说，“概念设计”比“计算设计”更为重要。正是由于地震发生的不确定性和复杂性，再加上结构计算模型的假定与实际情况的差异，使“计算设计”很难控制结构的抗震性能，因而不能完全依赖计算。结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。因此，在桥梁的方案设计阶段，不能仅仅根据功能要求和静力分析就决定方案的取舍，还应考虑桥梁的抗震性能，尽可能选择良好的抗震结构体系。

在抗震概念设计时，为了保证桥梁结构的经济性和抗震安全性，要特别重视上、下部结构连接部位的设计，桥墩形式的选取，过渡孔处连接部位的设计以及塑性铰预期部位的选择。通常允许桥梁结构在强震下进入塑性工作状态，在预期的部位形成塑性铰以耗散能量，但不允许出现脆性破坏，如剪切破坏。同时，为了保证所选择的结构体系在桥址处的场地条件下确实是良好的抗震体系，必须进行简单的分析(动力特性分析和地震反应评估)，然后结合结构设计分析结构的抗震薄弱部位，并进一步分析是否能通过配筋或构造设计保证这些部位的抗震安全性。最后，根据分析结果综合评判结构体系抗震性能的优劣，决定是否要修改设计方案。

3.2延性抗震设计

桥梁的延性抗震设计应分两个阶段进行：1)对于预期会出现塑性铰的部位进行仔细的配筋设计；2)对整个桥梁结构进行抗震能力分析验算，确保其抗震安全性。这两个阶段可以反复，直到通过抗震能力验算，或进行减、隔震设计以提高抗震能力。

在目前的结构抗震设计中已普遍采用延性抗震准则，其表达式为：

μ≤[μ]

其中，μ和[μ]分别为实际和允许的延性比，这是在延性抗震设计中使用最广泛的破坏准则。

结构关键截面(塑性铰)的曲率延性系数一般远远大于结构的位移延性系数。这是因为一旦屈服出现，进一步的变形主要依靠塑性铰的转动。塑性铰区的横向钢筋配置要同时满足保证截面的延性和保证纵向钢筋不压溃屈曲这两个要求。在这一方面，目前我国的规范还相当不足，可参考国外规范进行。美国AASH-TO规范和欧洲规范对体积含箍率的规定比较一致，特别是欧洲规范对横向约束钢筋的配置有非常详细的配置。

3.3桥梁减、隔震设计

减、隔震技术是简便、经济、先进的工程抗震手段。减、隔震装置是通过增大结构主要振型的周期使其落在地震能量较少的范围内或增大结构的能量耗散能力来达到减小结构地震反应的目的。在进行抗震设计时，要根据结构特点和场地地震波的频率特性，通过选用合适的减隔震装置、相应参数以及设置方案，合理分配结构的受力和变形。一方面，应将重点放在提高吸收能量能力从而增大阻尼和分散地震力上，不可过分追求加长周期。另一方面，应选用作用机构简单的减、隔震体系，并在其力学性能明确的范围内使用。减、隔震设计的效果，需要进行非线性地震反应分析来验证。

大量研究表明，最适宜进行减、隔震设计的情况主要有：1）桥梁墩柱较刚性，即自振周期较小；2）桥梁很不规则，如墩柱的高度变化较大，有可能导致受力不均匀；3）预测的场地地震运动的能量主要集中在高频分量，而低频分量的能量较少（浅震、近震、岩石地基）。因此，要根据结构特点和场地地震动特点决定是否要进行减、隔震设计，以及采取什么减、隔震装置。

近年来国内外学者提出在桥梁结构中设置粘滞阻尼器来改善结构的抗震性能，已在多座桥梁中得以应用。有研究表明：将隔震支座与粘滞阻尼器组合使用既能减小结构地震力，又能有效地控制梁移及墩、梁相对位移。

4 抗震加固技术

在决定一座桥梁是否如何加固以前，应先评估其抗震能力。主要是先决定墩柱的破坏形式及墩柱的最大延性能力，其次计算整体屈服的地震加速度及整体的最大延性能力，最后算出桥梁的抗震能力Ac值。

4．1 桥梁震害介绍

从历次破坏地震中，调查得到的公路桥梁震害产生的主要原因有以下几类：

(1) 支承连接件失效――由于上下部结构产生了支承连接件不能承受的相对位移，使支承连接件失效，上部与下部结构脱开，导致梁体坠毁。由于落梁的强烈冲击力，下部结构将遭受严重破坏。

支承连接件失效的原因，主要是设计低估了相邻跨之间的相对位移。为了解决这个问题，目前国内外的通常做法是增加支承面宽度和在简支的相邻梁之间安装纵向约束装置。

(2) 下部结构失效――主要是指桥墩和桥台失效。桥墩和桥台如果不能抵抗自身的惯性力和由支座传递来的上部结构的地震力，就会开裂甚至折断，其支承的上部结构也将遭受严重的破坏。

钢筋混凝土柱式桥墩大量遭受严重损坏，是近期桥梁震害的一个特点。其原因主要是横向约束箍筋数量不足和间距过大，因而不足以约束混凝土和防止纵向受压钢筋屈曲。目前的解决办法是通过能力设计和延性设计，使桥梁的屈服只发生在预期的塑性铰部位，其余结构保持弹性。

(3) 软弱地基失效――如果下部结构周围的地基易受地震震动而变弱，下部结构就可能发生沉降和水平移动。如砂土的液化和断层等，在地震中都可能引起墩台的毁坏。

地基失效引起的桥梁结构破坏，有时是人力所不能避免的，因此在桥梁选址时就应该重视，并设法加以避免。如果无法避免时，则应考虑对地基进行处理或采用深基础。

4．2研究现状

针对桥梁在地震中的震害类型，目前，国内外桥梁抗震加固主要采取以下技术措施：

(1) 在伸缩缝、铰和梁端等上部接缝处采用拉杆、挡块或者增加支承面宽度等措施，以防止落梁震害的发生；

(2) 增加钢筋混凝土桥墩的横向约束，提高其抗弯延性和抗剪强度，防止桥墩弯曲和剪切震害；

(3) 采用减隔震技术及专门的耗能装置，提高桥梁的抗震性能。例如采用铅芯橡胶耗能支座等。

对隔震而言，利用周期、阻尼与位移等相依变量进行参数分析，配合加固目标的订定，最后提出结合位移设计法的隔震装置加固设计程序。隔震装置的分析采用铅芯橡胶支座(LRB)以及摩擦单摆支座(FPS)两种。

对减震而言，亦可结合位移设计法进行减震加固设计。可使用替代结构法，将结构以等效劲度及等效阻尼比以线性迭代的方式来进行粘滞性阻尼器(vis-cous damper)的加固设计。

4．3 发展趋势

国内外地震工程研究人员总结了近年来国内外的震害资料，开始检讨过去单纯“强度抗震”设计的指导思想，研究考虑基于性能的抗震设计原则。基于性能的设计(performance-based seismic design)被广泛的认为是未来结构抗震设计规范的基本思想。抗震设计的性能指标，可以是单一指标，也可以是多指标或组合指标。

从桥梁震害调查中发现，遭受严重破坏和倒塌的桥梁结构，绝大部分是源于落梁和抗弯延性不足。因此，国外主要的多震国家，开始强调桥梁结构整体的延性能力，其它一些国家则在原有规范的基础上，也相应地对保证桥梁结构整体的延性能力，并通过设计和构造保证桥梁结构的整体延性能力。

从加固的对象上来看，美国、日本等桥梁抗震加固水平最高的国家，已经把加固的重点从以前单一的防落梁构造措施，转移到重视桥墩整体延性上来，以保证加固后的桥梁与新建桥梁的抗震能力相当。

在研究手段方面，整个抗震工程学都出现了越来越重视和依靠地震模拟试验的发展趋势。应该注意到现在的试验已经不再是传统意义上的简单试验，而是和现代科技融为一体的高科技试验。

4结语

大量的震害表明，合理的结构形式和成功的抗震设计可以大大减轻甚至避免震害的产生。随着对地震机理认识的逐步加深，提高和完善桥梁结构物的各项功能，以及桥梁抗震构造措施进一步的改进和完善，可以很好地达到桥梁结构的防震和抗震效果。而桥梁抗震加固技术研究已经有了较好的基础，建议针对我国公路桥梁的特点，得出适合于我国公路桥梁的抗震加固技术，并推广应用，为提高我国公路桥梁的抗震性能和抵御地震灾害的能力提供可靠的技术保证。

参考文献：

[1]N.M纽马克.地震工程学原理[M].叶耀先，译.北京:中国建筑工业出版社，1986.

[2]袁万城，范立础.高强混凝土结构的延性抗震设计[J].同济大学学报，1994，22(4):445-450

[3]范立础，胡世德，叶爱君.大跨度桥梁抗震设计.北京:人民交通出版社，2001.4

[4]M. J. N.普瑞斯特雷，F.赛勃勒，G. M.卡尔维，(袁万城，胡勃，崔飞，韦晓，译).桥梁抗震设计与加固，北京:人民交通出版社，1999