现代城市桥梁抗震设计的若干问题分析

摘要：为了有效减轻地震对现代城市桥梁造成的损伤，提高桥梁的抗震能力，本文主要对桥梁震害及抗震设计方法进行系统分析与论述。

关键词：城市桥梁；抗震；延性；抗震防线；震害

一、加强城市桥梁抗震设计的重要性

世界上有很多次的地震都发生在城市当中，如我国在1978年的唐山大地震，美国1906年的旧金山大地震、美国1964年的阿拉斯加大地震、日本1968年的十胜冲大地震等待。而在地震当中，这些城市都五一例外的遭受到了重大的损失。地震造成巨大灾害除了体现在地震导致的桥梁、建筑物倒塌等，也体现在地震导致交通设施损毁后所带来的间接损失。

在城市交通设施遭受损坏以后，大量物资难以运送进去，群众脱离危险地带的难度也在加大，因此预防作为生命线的交通设施遭到地震的严重损毁就显得非常必要，其中作为交通枢纽的城市桥梁就更是如此。美国1971年发生的圣费尔南多地震，虽然只有6.6级，却摧毁了大部分的城内桥梁设施，造成的经济损失总和达到了10亿美元；1989年洛马·普里埃塔地震，再次使城内桥梁设施全新崩溃，造成经济损失总和达到了70亿美元；日本阪神地震，也仅为7.2级的中级地震，造成了城市高架桥、高速公路隧道桥、高速铁路隧道桥的坍塌，也造成了巨大的经济损失。

总的来说，理论和经验都告诉我们，加强城市桥梁的抗震设计非常重要。

二、城市桥梁的震害类型和特点

（一）桥台震害

桥台震害的主要体现形式就是路基和桥台一起向一个方向滑移，使桥梁的桩柱发生倾斜，导致折断或者开裂。如果桥梁的桥台属于重力式桥台，那么胸墙就会出现开裂，台体发生移动。

（二）桥墩震害

桥墩震害的主要体现形式就是桥墩发生沉降、移位或者倾斜，墩身出现开裂的现象，甚至被剪断，一些受到压力的混凝土结构崩裂，露出钢筋结构，桥墩和基础连接的地方断开。

（三）支座震害

支座震害的主要体现形式是支座的锚固螺栓剪断或者拔出，支座本身受到破坏，所以传力体系中断，导致桥梁结构的其他部位出现损害。

（四）主梁震害

在所有桥梁的震害当中，最严重的就是主梁坠落。导致这个震害发生的主要原因就是桥台或者桥墩出现倾斜或者倒塌，一旦主梁坠落，就意味着桥梁完全被破坏，而且在坠落过程中还会殃及周围建筑。

（五）基础震害

基础震害会直接导致桥梁倒塌，一旦基础被破坏，在地震之后桥梁也难以修复。造成基础震害的主要原因是砂土液化，桥梁基础的稳定性低，不均匀沉降等。

三、现代城市桥梁抗震设计的要点

（一）设计原则

1、选择场地

选择合适的建筑场地是保证桥梁抗震性能的前提，在选择场地的时候要避免选在在地震过程中可能会出现地基失效的松软区域，地基的基础要相对坚硬，否则就会容易出现基础震害。

2、保证桥梁的整体性

桥梁的整体性设计可以有效的降低震害，在设计的时候，桥梁的上部结构要连续。一个良好的整体性桥梁设计可以增强桥梁的强度，在地震发生的时候还会减少零碎的掉落。整体性设计还有一个关键点，就是尽量设计成对称的结构形式，避免在强烈震动作用下，出现单侧倾覆的现象。

3、提高桥梁的强度和延性

影响桥梁的抗震性能的两大关键要素就是强度和延性。强度就是指桥梁的刚度性能，也就是受力性能。强大的刚度可以有效增加桥梁在地震中的受力限值，避免桥梁结构出现弯曲。而延性是控制断裂的有效方式。在抗震设计中，如果只注重强度设计，而忽略延性是错误的。在受力过程中，不能保证桥梁没有一点位移，如果桥梁的延性够大，轻微的位移根本不会导致桥梁结构出现破坏。

4、能力设计

桥梁的能力设计主要是对安全度差异的掌握，也就是针对不同位置的结构构件和其在地震中所承受的不同破坏形式确定它的强度安全度。这是避免地震中出现脆性破坏的最佳方式。

5、设置多道抗震防线

在桥梁的抗震设计中，为了安全起见，应该设置多道抗震防线，保证在地震发生的时候，第一道防线破坏之后还有第二道、第三道防线在支撑，避免桥梁出现倒塌。

（二）设计新方法

1、Caltrans 新抗震设计方法

首先，Caltrans 将普通桥梁分为标准桥梁和非标准桥梁，且二者之间没有冲突。其次，该方法不建议将非弹性装置全部设置到混凝土构件上，而建议多设置在桥墩、耳墙、背墙、侧墙等部位。最后，由于 Caltrans 抗震设计方法主要基于桥梁位移，因此 Caltrans 认为，与结构外形和塑性铰转动能力有关的有效位移能力能够用非弹性静力分析方法来确定。

2、ATC-18联邦公路总署推荐标准

在 ATC-18 联邦公路总署推荐标准中，地震被分为两种情况来研究：当地震级别较低时，桥梁只允许发生轻微损伤；当地震级别较高时，桥梁允许发生损伤，但不能发生倒塌现象。该方法既承认现行的 AASHTO 抗震性能分类，又要求设计者要基于位移进行桥梁抗震设计，并通过适当的非线性反应谱来得到强度和刚度。

3、桥梁抗震设计新方法的应用

1995年1月17日清晨5：45，日本兵库县神户市西南部发生里氏7.3级强烈地震。阪神公路3号线内按老式桥梁抗震方法设计的桥梁和5号线内按新式抗震方法设计的桥梁形成了鲜明对比，地震发生后3号线内的桥梁几乎全部倒塌，而类似情况并未在5号线内的桥梁上发生。这充分说明这些抗震设计新方法的应用大大提高了桥梁的抗震性能。

（三）几点建议

地震造成地面运动是无法预测随机运动，因此仅仅通过被动强度抗震设防并不能起到应有作用，美国已有抗震专家提出新设计反映谱建议，他们认为在同样强度地震下，如果有一些不利因素影响，实际地震力可能增加到三到四倍；如果根据以往对地震观测，而进行特定结构强度设计，在不利情况下，实际地震力克增加到六到八倍，甚至是十倍以上。所以通过结构强度设计来抵御地震，不现实也不科学。实际地震灾害也表明，城市桥梁损毁严重，也是因为其承受了较大水平力。

当然，进行强度抗震虽不可行，但也并不意外着强度抗震完全不重要。经过综合考虑，笔者提出如下城市桥梁抗震设计建议：

1、城市桥梁，包括高架桥、立交桥等都要采用多级设防标准；

2、对未来桥梁抗震设计，要引入能力设计和概念设计原则，也就是说通过对桥梁抗震性进行分析，找出不能在地震区使用设计结构，并且要找到新可以抗震新结构模型；

3、结构抗震设计不仅仅是对结构强度和变位等演算，更重要是对整个机构系统抗震能力进行分析；

4、对桥梁结构强度、结构控制、延变形、结构整体稳定都要在多级设防原则之下进行设计；

5、针对高架桥容易损毁经验教训，专门开展对桥墩、抗震支座等延性研究，不但对钢筋混凝土延性，对高强混凝土结构、混合结构等都要进行分析；

结语

综上，有效提高桥梁抗震性能，需要了解震害的类型以及桥梁所在地的地震发生情况，在这个基础之上，注意一些设计要点，尤其是容易发生震害的塑性铰位置。遵循桥梁抗震设计基本原则，把桥梁结构的每一个部分有机结合在一起，形成一个强大的抗震整体，这样才能保证城市桥梁的抗震性能，减少地震带来的危害，保障人民群众的生命财产安全。

参考文献

[1]王伟. 现代桥梁抗震设计需关注的几个问题[J]. 科技信息. 2011（17）

[2]刘志强. 浅析桥梁抗震设计的重要性[J]. 城市建筑. 2014（02）

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