浅谈桥梁抗震设计
浅谈桥梁抗震设计
摘要
目前桥梁工程抗震的研究问题是当今热点问题，本文在分析桥梁结构地震破坏的主要形式基础上，阐述了桥梁抗震设计原则，最后对于桥梁抗震设计方法进行分析，重点探讨了桥梁抗震概念设计、桥梁延性抗震设计、地震响应分析及设计方法的改变以及多阶段设计方法等内容。
关键词：
地震破坏桥梁结构抗震设计抗震措施引言
桥梁工程又是中的重中之重，桥梁工程抗震研究的重要性不言而喻。抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等获得的基本设计原则和设计思想，正确地解决结构总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。合理的抗震设计，要求设计出来的结构在强度、刚度和延性等指标上有最佳的组合，使结构能够地实现抗震设防的目标。本文主要探讨了桥梁工程抗震设计相关问题，为今后桥梁设计起到借鉴作用。桥梁是交通生命线工程中的重要组成部分，震区桥梁的破坏不仅直接阻碍了及时救灾行动，使得次生灾害加重，导致生命财产以及间接经济损失巨大，而且给灾后的恢复与重建带来困难。在近30 年的国内外大地震中，桥梁破坏均十分严重，桥梁震害及其带来的次生灾害均给桥梁抗震设计以深刻的启示。在以往地震中城市高架桥或公路上梁桥的墩柱的屈曲、开裂、混凝土剥落、压溃、剪断、钢筋裸露断裂等震害，桥梁防震越来越受到各国工程师的重视。
地震形成
地震，是地球内部发生的急剧破裂产生的震波，在一定范围内引起地面振动的现象。地震(earthquake)就是地球表层的快速振动，在古代又称为地动。它就像海啸、龙卷风、冰冻灾害一样，是地球上经常发生的一种自然灾害。大地振动是地震最直观、最普遍的表现。在海底或滨海地区发生的强烈地震，能引起巨大的波浪，称为海啸。地震是极其频繁的，全球每年发生地震约550 万次。目前衡量地震规模的标准主要有震级和烈度两种。同样大小的地震，造成的破坏不一定是相同的；同一次地震，在不同的地方造成的破坏也不一样。为了衡量地震的破坏程度，科学家又“制作”了另一把“尺子”一一地震烈度。在中国地震烈度表上，对人的感觉、一般房屋震害程度和其他现象作了描述，可以作为确定烈度的基本依据。影响烈度的因素有震级、震源深
度、距震源的远近、地面状况和地层构造等。地震发生时，最基本的现象是地面的连续振动，主要特征是明显的晃动。地震分为天然地震和人工地震两大类。此外，某些特殊情况下也会产生地震，如大陨石冲击地面（陨石冲击地震）等。引起地球表层振动的原因很多，根据地震的成因，可以把地震分为以下几种：
1、构造地震由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放出来，以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动称为构造地震。这类地震发生的次数最多，破坏力也最大，约占全世界地震的90%以上。
2、火山地震由于火山作用，如岩浆活动、气体爆炸等引起的地震称为火山地震。只有在火山活动区才可能发生火山地震，这类地震只占全世界地震的7%左右。
3、塌陷地震由于地下岩洞或矿井顶部塌陷而引起的地震称为塌陷地震。这类地震的规模比较小，次数也很少，即使有，也往往发生在溶洞密布的石灰岩地区或大规模地下开采的矿区。
4、诱发地震由于水库蓄水、油田注水等活动而引发的地震称为诱发地震。这类地震仅仅在某些特定的水库库区或油田地区发生。
5、人工地震地下核爆炸、炸药爆破等人为引起的地面振动称为人工地震。人工地
震是由人为活动引起的地震。如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震。
桥梁破坏形式
桥梁上部结构由于受到墩台、支座等的隔离作用，在地震中直接受惯性力作用而破坏的实例较少，由于下部结构破坏而导致上部结构破坏则是桥梁结构破坏的主要形式，下部结构常见的破坏形式有以下几种：
1 落梁破坏
震害原因
1）支承连接部件失败：固定支座强度不足、活动支座位移量不够、橡胶支座梁底与支座底发生滑动，在地震力作用下支座破坏，致使梁体发生位移导致落梁。
2）墩台支承宽度不满足防震要求，防落梁措施设计不合理，在地震力作用下，梁、墩台间出现较大相对位移，导致落梁现象的发生。
3）伸缩缝、挡块强度不足，在地震力作用下伸缩缝碰撞破坏挤压破坏、挡块剪切破坏，都起不到应有作用，导致落梁。
抗震设计有效措施
1）采用板式橡胶支座的桥梁，盖梁挡块在地震中破坏，可以有效减少下部结构所受地震力，但对于这种类型的桥梁抗震设计的关键是怎样采用合理的梁体限位装置、设置足够的梁敦合理搭接长度使梁体位移控制在不发生落梁的范围内同时又不增加墩柱地震力。
2）在高烈度地震区尽可能采用整体性和规则性较好的桥梁结构体系，结构的布置力求几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规则，避免突变的出现；从几何线性上看，尽量选用直线桥梁。
3）选择合理的连接形式对桥梁抗震性能十分重要。对于高墩桥梁，建议采用上部结构与下部结构有选择性的刚性连接（固结方式）；对于矮墩桥梁，上部结构和下部结构连接建议采用支座连接方式，并合理设置梁墩的搭接长度。
2 墩柱、节点及桥台破坏
破坏形式：此类破坏多发生在墩柱塑性铰处、墩柱与盖梁连接处，墩柱与系梁连接处，地震力作用下桥墩纵向受力筋被剪断，直接导致桥梁的倾覆.
震害原因
1）墩柱延性不足（抗弯破坏），横向约束箍筋配置不足；构造缺陷：横向约束箍筋间距过大，搭接失效，纵筋过早切断，锚固长度不足；箍筋端部没有弯钩等
2）抗剪强度不足（剪切破坏）：横向箍筋配置不足抗震设计有效措施：
延性抗震设计
1）结构延性定义：表示结构从屈服到破坏的后期变形能力，是结构能量耗散能力的主要度量。
2）延性抗震设计的分类：a）上部、基础弹性，墩柱延性设计；b）墩柱、基础弹
性，上部结构延性（钢桥）；c）墩柱、基础、上部结构弹性，支座弹缩性——减隔震设
3) 墩柱结构构造措施
墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋的配置：
a) 加密区的长度：弯曲方向截面宽度的1.0 倍，超过最大弯矩80%的范围；
b) 加密箍筋的最大间距：10cm或6ds或b/4 ;
c) 箍筋的直径不应小于：10mm；
d) 螺旋式箍筋的接头必须采用对接，矩形箍筋应有135 度的弯钩，并深入核心混
凝土之内6cm以上；
e) 加密区箍筋肢距：25cm；
f) 墩柱的纵筋应尽可能延伸至盖梁或承台的另一侧面，塑性铰加密区域的箍筋应
该延续到盖梁和承台内，延伸到盖梁和承台的距离不应小于墩柱长边尺寸的 1 /2 ，并不小于50cm。
3 基础破坏、桩身破坏
3.1 破坏形式及震害原因桥位通过地震断裂破碎带，地震力作用下基础出现移位、沉降；桥位位于液化砂土地质中，基础出现不均匀沉降。
3.2 抗震设计有效措施基础尽可能建在岩石或坚硬冲积土上，软土和砂土易于放大结构的位移影响，且软土有震陷、饱和砂土有液化等地质地震灾害。
减隔震设计
1. 地震力的作用是巨大的，我们在桥梁抗震设计中一般会采用两种途径去减轻桥梁震害：传统抗震设计和减隔震设计。传统抗震设计是增大构件断面及配筋致使结构刚度增大，达到减轻震害目的；而减隔震设计是采用柔性支承延长结构周期，减小结构地震反应；采用阻尼器装置耗散能量，限制结构位移；保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度，即俗称的以柔克刚。
2. 减隔震技术随着科技的发展以及新材料的应用，越来越多的被应用在桥梁抗震设计中，但是只适用于以下条件：上部结构连续，下部结构刚度较大，结构基本振动周期比较短；桥梁下部结构高度变化不规则，刚度分配不均匀；场地条件比较好，预期地面运动特性具有较高的卓越频率。支座中出现负反力的情况下则不宜采用减隔震设
计。
3. 减隔震装置经常采用如下几种：整体型减隔震装置：铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、摩擦摆隔震支座；分离型减隔震装置：橡胶支座+金属阻尼器、橡胶支座+粘性材。桥梁节点抗震解析
在桥梁结构中，节点构造形式与房屋框架结构中的节点相差较大，而且桥梁结构在横向地震作用下主要依靠墩柱的延性发生变形，而不是依靠盖梁的延性，因而不能套用房屋框架结构节点抗震设计。但是毫无疑问的是，桥梁节点部位属于能力保护构件，在地震作用下需要保持较高的强度和刚度。结合我国公路桥梁的特点，对影响极限强度的因素做了以下研究。
一、我国桥梁节点受力特点：
节点的受力机理受到多种因素的影响，包括: 混凝土强度，钢筋屈服强度，核心区内箍筋的
构造以及梁柱主筋的锚固状况等。在正常配筋的情况下，节点核心的受力过程，一般经历以下四个阶段:
（一）初裂；当加载使核心区出现第一条斜裂缝时，称为核心区初裂阶段。此时箍筋应力水平很低，节点可认为处于弹性工作阶段，节点剪力主要由混凝土承担。
（二）通裂；初裂后继续增加荷载，节点核心区中部陆续出现第二条、第三条斜裂缝，将核心区分割成若干小块，然后逐渐形成贯通节点核心对角线的主斜裂缝。通裂时节点内箍筋应力很快增加至屈服应力，节点进入弹塑性阶段，刚度明显降低。试验显示，通裂时的承载能力约为极限承载能力的80%左右。
（三）极限；通裂后外荷载还可以继续增加，核心区裂缝宽度越来越宽，结构变形明显加大，核心区剪切变形成倍增长。混凝土保护层开始起壳、剥落。此时承载能力达到最大值，称为极限阶段。极限时节点内箍筋几乎全部屈服。
（四）破损；虽然变形持续加大，但是节点承载能力开始降低，核心区混凝土大块剥落。破损时节点的承载能力约为极限时的80%一90%。
二、加强节点强度：
在地震作用下，希望塑性铰出现在梁端，这样就不会引起高层结构太大的侧向变形，避免了倒塌的后果。但是在桥梁结构中，如果梁端出现较大的转角，就会引起桥面系极大的破坏，甚至使桥梁结构完全丧失使用功能，这是人们所不愿看到的。因此在桥梁抗震设计中，一般选择塑性铰出现在桥墩中。由于桥梁结构都是单层或者双层，即使墩柱中出现塑性铰，在设计预期的地震作用下，只要墩柱的延性能力满足塑性铰转角的需求，都不会引起倒塌的后果。对于桥梁节点部位的抗震要求，则与建筑抗震规范一致。节点是连接桥墩和盖梁的传力构件，是保证整个结构良好工作的关键部位，属于能力保护构件，因此对其强度和刚度要求都较高。
（一）在由桥墩和盖梁组成的框架结构中，在横向地震作用下，塑性铰可能出现在墩底截面，墩顶截面，节点，梁端截面。根据能力抗震设计思想，盖梁的极限强度一般要比桥墩截面大，如果盖梁中配有预应力筋，其极限强度会更大，因而一般不会称为结构的薄弱环节。在横向作用力增大的过程中，墩底截面弯矩最大，首先进入屈服状态。在墩底截面出现塑性铰以后，截面上的弯矩会保持平稳状态不再增长，而墩顶截面的弯矩会随框架变形的增加而持续增大，节点核心区域内的箍筋应力也会随之增加直至屈服。此时，节点区域的刚度出现退化，会削弱对墩顶截面的约束，甚至形成铰接约束，从而引起结构中的内力重分布，使结构侧向变形加速变大，对结构横向抗震性能是很不利的。节点核心区的箍筋如果在墩底截面的塑性铰出现以前就进入屈服，会削弱对墩顶截面的约束，甚至形成铰接约束，从而引起结构中的内力重分布，墩顶截面弯
矩减小，墩底截面弯矩增大，使得墩底更快进入屈服状态，从而降低框架结构的横向抗震性能。
（二）在不同的纵筋配筋率下，墩底截面总是首先进入屈服状态，梁端截面基本不屈服，在配筋率小于3%时，墩顶截面也会达到屈服，当配筋率超过3%时，墩顶截面并未达到屈服状态。这说明在不同的配筋率下，节点部位并不是保持相同的刚度。当节点部位出现刚度软化以后，对墩顶截面的约束减弱，从而导致墩顶截面弯矩减小。
（三）节点区域的配箍率对结构的横向抗推极限承载能力影响并不大，这是因为计算中假定梁柱中延伸入节点区域的主筋和混凝土粘结良好，核心区混凝土所承受的剪力都能完全传递到主筋中去。这样梁柱的主筋就承担了节点核心区中的剪力，因而箍筋的作用体现不明显。事实上在混凝土开裂以后，随着裂缝的发展，主筋与混凝土之间的粘结恶化导致滑移的产生，混凝土中的剪力就不能完全传递到主筋，此时就需要依靠节点中的箍筋承担抗剪作用。如果箍筋配置过少，节点就无法将上部结构的惯性力传递到桥墩中去，节点核心区出现脆性剪切破坏，对结构抗震非常不利。节点核心区内的竖向箍筋始终应力很大，其主要原因，是因为靠近节点外侧承托附近的竖向箍筋，为了要平衡小斜压杆中的压力，内力很大，很容易就达到屈服，在设计中需要给予重视。节点核心区中配置适量的箍筋，除了能起到约束混凝土，提高混凝土强度的作用以外，
在混凝土开裂后能箍筋直接参与受力，是保证节点裂缝不会充分开展，刚度不出现急剧退化的
有效措施
综上所述，在桥梁结构中，如果桥墩和盖梁刚度比较接近，则在地震作用下，结构受到侧向赓性力作用，节点核心区箍筋受力很大，容易出现节点刚度退化。一方面会导致节点核心区混凝土剪切破坏，另一方面又会导致桥墩内力重分布，墩底截面弯矩加大，更快达到屈服状态，降低桥梁结构横桥向整体的抗震能力。而在盖梁和桥墩抗弯刚度相差较大时，在地震横桥向作用下，墩底和墩顶部位的塑性铰更容易形成，节点部位相对更加安全，符合能力抗震设计思想。
桥梁的震害
桥梁震害是地震灾害中最为常见的一种桥梁震害，具体情况是桥台和路基同时向河心移动，桩柱式桥台的桩柱随之开裂、倾斜、折断；重力式桥台的胸墙开裂，桥台台体下沉、移动、转动；桥头的引道沉降，翼墙开裂、损坏，施工缝开裂，桥台撞击主梁导致结构破坏。桥台的移动、倾斜可能导致主梁受压损坏，甚至有可能使主梁坍毁。
同样高发的桥梁震害还有桥墩震害以及支座震害。桥墩的震害主要有桥墩倾斜、沉降、移位、墩身剪断、开裂，受压缘的混凝土崩坏，钢筋屈曲、裸露，桥墩与基础连接处折断、开裂等等。在震力作用下，部分支座在最初设计时并未充分考虑到抗震要求，缺乏连接、支挡等结构的必要构造措施，有些情况下，支座材料与形式上的缺陷直接造成支座产生过大的移位或者形变，
进而导致了支座锚固螺栓剪断、活动、拔出，支座脱落，支座主体结构破坏等。这样的情况会导致结构力的传递形式发生变化，对整体结构中的其他部件产生非常不利的影响。
最为严重的桥梁震害现象则是主梁坠落。主梁坠落又称落梁，主要成因是桥台、桥墩的倾斜或者倒塌，梁体碰撞、支座破坏、相邻桥墩间相对位移过大等情况。除此之外，地基与基础震害也是导致桥梁倒塌的严重桥梁震害。地基震害导致的桥梁破坏属于灾后难以修复的桥梁震害，主要成因包括不均匀沉降、砂土液化、稳定性低等因素造成的地层水平移动、地层下沉、地层断裂。地基破坏与基础破坏具有紧密的相关性，地基破坏通常直接导致基础破坏。
桥梁震害的成因具有很强的多样性。地震发生时，地层的移动会导致梁式桥梁上部的活动节点因为盖梁宽度不足而发生落梁或者梁体碰撞, 而拱式结构的桥梁则会出现拱上建筑以及腹拱受损，拱圈在拱顶、拱脚处产生裂缝，整个拱圈隆起变形。
地基土的液化影响, 也加大了地层移动的影响，放大了桥梁结构的振动反应，大大