公路桥梁抗震设计细则分析

公路桥梁抗震设计细则分析

【摘要】本文主要分析了公路桥梁抗震设计的一些关键性问题，具体论述了公路桥梁抗震设计的一些细则，以期可以通过分析为我国的公路桥梁抗震设计提供有意义的参考。

【关键词】公路桥梁；抗震设计；细则 一、前言

对于公路桥梁工程来说，必须要在抗震设计方面予以关注和重视，抗震性能已经成为了评定公路桥梁工程质量的一个重要的因素，因此，必须要分析公路桥梁抗震设计细则。

二、桥梁的主要震害形式现如今，我国桥梁工程发展迅速，在根据国内外历次大地震的调查研究，公路桥梁的地震破坏主要形式总结归纳如下：1、桥梁上部结构受水平力作用滑落(汶川百花大桥落梁)；2、桥墩塑性铰的抗弯、抗剪强度不足，导致桥墩破坏(日本阪神大量墩柱破坏)；

3、桥墩、桩基础钢筋的连接及锚固性能不足，导致桥墩破坏(最为常见)；

4、桥梁支座等连接部位破坏(最为常见)。

常规桥梁抗震设计首先应是抗震构造措施，根据汶川地震相关调查表明干线公路桥梁由于采用了合理的抗震构造措施，结构安全富裕较多，震后其破坏远小于地方道路桥梁。抗震构造措施是在总结桥梁震害经验的基础上提出的设计原则，事实表明抗震构造措施可以起到有效减轻震害作用，而所耗费的工程代价往往较低。

主要的桥梁的震害有多种形式，根据破坏的部位不同，主要可分为上部结构震害、附属工程震害、墩柱震害、基础震害四种。

1、上部结构震害

桥梁上部结构震害按照产生的原因不同，可以分为结构震害和位移震害。其中较常见的是位移震害。

桥梁位移震害主要表现为上部结构的纵向位移、横向位移以及扭转。一般来说，设置伸缩缝的地方比较容易发生位移震害。如果上部结构的位移超过了墩、台等的支撑面，则会发生更为严重的落梁震害。落梁的原因一般是因为限位构造失效、墩台支承宽度不足造成，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。

2、附属工程震害

在地震力的作用下，主梁与下部墩柱、桥台连接部较为薄弱，若附属工程没有足够的限位能力将出现震害。主要表现为支座脱离主梁、挡块碰撞破坏、伸缩缝拉断、台胸墙剪断等震害。

3、墩柱震害

墩柱的震害主要表现出两种特征：塑性铰破坏和剪切破坏。柔桥墩柱在地震力作用下，墩柱底部、顶部和墩柱与系梁连接处容易出现塑性铰，塑性铰混凝土在反复地震作用下剥落、破碎，失去承载能力。刚性墩在地震作用下，变形能力小，主要以强度抵抗地震力，当地震力超越其承载强度时，出现剪切破坏。

4、基础震害

基础的破坏与地基的破坏紧密相关，地基破坏一般都会导致基础的破坏。地基破坏主要是指地震作用下因砂土液化、不均匀沉降及稳定性不够等因素导致的地层水平滑移、下沉、断裂。基础的震害主要表现为移位、倾斜、下沉、折断和塑性铰破坏。

三、《公路桥梁抗震设计细则》难点、重点

1、抗震概念设计

根据地震灾害和工程经验等归纳的基本设计原则和设计思想，进行桥梁结构总体布置、确定细部构造的过程。

2、弹性抗震设计

不允许桥梁结构发生塑性变形，用构件的强度作为衡量结构性能的指标，只需校核构件的强度是否满足要求。

3、延性抗震设计

允许桥梁结构发生塑性变形，不仅用构件的强度作为衡量结构性能的指标，同时要校核构件的延性能力是否满足要求。钢筋混凝土墩柱桥梁，抗震设计时，墩柱宜作为延性构件设计。桥梁基础、盖梁、梁体和结点宜作为能力保护构件。墩柱的抗剪强度宜按能力保护原则设计。沿顺桥向，连续梁桥、简支梁桥墩柱的底部区域，连续刚构桥墩柱的端部区域为塑性铰区域；沿横桥向，单柱墩的底部区域、双柱墩或多柱墩的端部区域为塑性铰区域。

4、公路桥梁抗震性能评价与抗震加固、设计技术

从总体上看，原《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-2010）的抗震设防分类和设防标准是基本合理的。

公路桥梁分为A、B、C、D四个抗震设防类别，其中A类为单跨跨径超过150米的特大桥，B类涵盖了原规范的A、B类，C、D类同原规范一致。设防标准基本维持和原规范相当的水平。但本细则在抗震设计方法上有大的改变，采用两水平设防，两阶段设计。第一阶段采用弹性抗震设计；第二阶段采用延性抗震设计方法，并引入能力保护设计原则。通过第一阶段的抗震设计，即对应E1地震作用的抗震设计，可达到和原规范基本相当的抗震设防水平。通过第二阶段的抗震设计，即对应E2地震作用的抗震设计，来保证结构具有足够的延性能力，通过验算，确保结构的延性能力大于延性需求。通过引入能力保护设计原则，确保塑性铰只在选定的位置出现，并且不出现剪切破坏等破坏模式。通过抗震构造措施设计，确保结构具有足够的位移能力。

四、桥梁设计与抗震措施

1、防止落梁的措施

《公路桥梁抗震设计细则》指出上部结构主梁的支承长度a≥70+0.5L(L为梁的计算跨径，L单位为m，a单位为cm)，该取值沿用自日本抗震设计规范，多数设计者认为规范取值较为保守，比上一代规范《公路工程抗震设计规范(JTJ004-89))有较大提高(a≥50+L)。这里需指出该种认识属于误区，当“长桥高墩”时应在规范基础上给予更多的安全富余。例如：都汶高速公路庙子坪岷江大桥第10跨(跨径50m、墩高70m)。虽然盖梁宽度高达3.0m(根据《桥梁抗震细则》要求，含伸缩缝宽度取2.1m即可)，但该桥还是发生纵向落梁，所以在设计中应注意“长桥高墩”,特别是设置有伸缩缝的相邻联桥墩，不仅要将主粱支承长度取值放大一些，还需要设置主粱限位装置。根据国外规范以及《抗震设计细则》精神，同时应设置纵向防落梁构造，同时应注意限位装置不得有碍于防落梁构造的发挥。

根据汶川地震后的调查表明横桥向抗震挡块的破坏非常普遍，2010年玉树震区桥梁调查也存在同样问题，说明当前挡块设计存在薄弱的问题，主要表现为构造尺寸偏小，主筋配筋偏少，挡块内侧缺少减震橡胶块，特别是在斜弯桥设计中应比直线桥具备更多的考虑。挡块内侧不仪应设置橡胶块，还应考虑留有不小于5cm的缝隙，多数桥梁设计将桥墩挡块设置为与盖粱边缘齐平的方法是欠考虑的，往往造成施工误差调整困难以及上述5cm缝隙难以保证，故建议桥墩盖梁端部悬出挡块外1Oom为宜。

2、支座形式和布置方式

支座选型长期以来被忽视，常规粱桥多采用普通橡胶支座，汶川地震后的调查表明普通橡胶支座破坏后加剧了桥梁损伤，建议根据桥梁设防要求，选用适用的支座类型。基本地震动峰加速度峰值0.1g地区和以上地区应选择减震型橡胶支座。

作为支座的布置是否合理至关重要，汶川百花大桥第5联(5×20m)采用一个

固定支座，其余墩为活动支座，导致全联上部结构水平地震力几乎完全由固定支座下的桥墩承担，该桥墩迅速破坏后，造成全联坍塌。对于连续梁桥在设置固定支座后，应充分考虑固定支座设置对抗震的不利影响，慎用墩梁固结方案，应注重考虑各墩水平受力的平均分担。

3、柱式桥墩的合理设计

柱式墩是桥梁设计中最为常见的结构形式，日本阪神地震中显示出大量圆形独柱墩崩溃性破坏，汶川地震相关资料表明矩形墩要优于圆形墩，抗震设计中应首先尽量避免选用抗震性能差的圆形独柱结构，同时优先选择矩形截面形式。其次应重视桥墩中间的横梁设置，横梁刚度不宜过大，避免导致“强梁弱柱效应”的出现，造成结构的第一塑性铰出现在墩柱之上，而不是横梁上，致使结构失效。

结构刚度的均衡是总的设计原则，一般指纵桥向相邻高度不宜相差过大，同时注意当地面横坡较陡时，横桥向也会出现墩柱高度差异，条件容许时可以考虑进行开挖，以保证横桥向墩柱刚度的均衡。

另一个设计原则是能力保护原则，要使结构体系中延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性破坏，在延性细部构造设计中应保证墩柱纵筋和箍筋形成整体骨架，当混凝土纵向受压、横向膨胀时，箍筋给于纵筋的约束作用最为重要，而纵筋对约束混凝土墩柱的延性作用巨大，所以各国规范均提高了对纵筋的配筋率要求,下图中可以明确显示各国规范的对比情况四。该图的对比结果表明，很多设计师所认为的规范安全富余度足够的观点是错误的，事实上由于考虑自身经济、技术、工业条件的制约，我国规范与欧美规范在安全富余方面存在一定的差距，这就要求桥梁设计中应根据具体情况进行相应的提高。

桥墩是支撑梁体的主要构件，同时由于桥梁结构“上刚下柔”的特点使得桥墩极易出现破坏，其破坏主要包括墩身剪断、压溃和开裂，应根据抗剪计算来配置箍筋，选择合理的箍筋间距，注意箍筋的搭接构造细节。设防裂度7度及以上应通过计算确定墩柱尺寸，保证塑性铰区位于墩柱范围内，塑性铰区钢筋应根据《公路桥梁抗震细则》进行加密，加密箍筋可采用12mm～16mm带肋钢筋，但锚固于盖梁、承台部分的加密钢筋采用螺旋箍筋欠妥，施工单位反映由于盖梁中钢筋原有钢筋很多，螺旋筋布置十分困难，建议采用环形箍筋为宜。

五、结束语

总而言之，公路桥梁抗震设计一定要更加的科学和完善，在公路桥梁工程设计的过程中，要将抗震设计纳入到公路桥梁设计的内容中，并采用合理的设计方法，提高工程抗震的效果。

【参考文献】

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振动,2011

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[3]唐光武，兰海燕.中国公路桥梁抗震设防标准的发展和评价[J].公路交通技术，2011（6）.