道路桥梁的抗震设计与优化研究

一、 绪论

地震作为突发性自然灾害，对道路桥梁等生命线工程构成严峻挑战。历史震害表明，桥梁结构损毁不仅造成巨大经济损失，更严重阻碍震后应急救援。近年来全球地震活动频发，如日本“3·11”大地震、中国汶川地震等，凸显了提升桥梁抗震能力的紧迫性。随着我国“交通强国”战略推进，高烈度区路网规模持续扩大，桥梁工程面临更为复杂的抗震需求。传统抗震设计主要依赖提高结构强度，存在经济性差、损伤控制难等瓶颈。因此，在深入理解地震作用机理与结构响应基础上，发展更安全、经济、智能的抗震设计与优化方法，已成为工程界与学术界共同关注的焦点。本研究旨在探索前沿抗震理论，提出系统性优化策略，推动道路桥梁抗震韧性提升

二、道路桥梁抗震设计的理论基础

（一）地震作用对桥梁的影响机制

地震对桥梁的作用主要表现为水平和竖向地震力的综合效应。水平地震力会导致梁体相对桥墩产生纵向和横向位移，若位移超过支座允许范围，易引发落梁事故——汶川地震中，绵竹市某公路桥梁因梁体纵向位移达80cm ，导致 3 片梁板坠入河道。竖向地震力虽数值通常为水平地震力的1/2～1/3 ，但会增加桥墩和基础的轴力荷载，在高墩桥梁中可能导致基础不均匀沉降或桥墩开裂。此外，地震引发的滑坡、地基液化等次生灾害危害极大，如某山区桥梁因地震引发山体滑坡，桥台被推移 1.5m ，整桥报废；软土地基中的桥梁可能因地基液化失去承载力，导致结构整体倾斜。

（二）抗震设计的基本要求

桥梁抗震设计需满足安全性、适用性和经济性的统一。安全性是首要目标，要求结构在设计地震作用下不发生垮塌，保障生命安全；适用性指地震后桥梁应能保持基本通行功能，如中小跨径桥梁震后裂缝宽度不超过0.2mm ，便于快速修复；经济性则需平衡抗震投入与灾害损失，例如在地震烈度 6 度区，过度采用隔震技术可能导致成本浪费，而在 8 度区采用常规设计则可能增加震后修复费用。

（三）现行规范核心指标

规范中，抗震设防烈度是重要依据，我国将抗震设防烈度分为6~12 度，对应不同的设计地震动参数，如7 度区峰值加速度为 0.15g （ 为重力加速度），反应谱特征周期根据场地类别（Ⅰ~Ⅳ类）取 0.25～0.65s_c 。结构抗震性能目标分为三类：弹性设计要求结构在地震中保持弹性状态，适用于特大桥；不屈服设计确保关键构件（如桥墩、支座）不发生塑性变形，适用于重要公路桥梁；延性设计允许构件产生塑性变形但不垮塌，通过变形耗能保护结构，适用于中小跨径桥梁。

三、道路桥梁抗震设计的关键技术

（一）结构选型与布置优化

梁体形式的选择直接影响抗震性能。连续梁桥因整体性强，抗震性能优于简支梁桥，但简支梁桥构造简单、施工便捷，在中小跨径桥梁中仍广泛应用，需通过加强梁体连接弥补抗震短板。桥墩设计中，延性桥墩通过设置塑性铰区域（如加密箍筋、削弱截面），使地震能量集中在该区域消耗，保护桥墩主体；刚性桥墩则适用于地基条件好、地震烈度低的区域。支座作为连接梁体与桥墩的关键部件，盆式橡胶支座能适应较大位移，铅芯隔震支座可通过铅芯屈服耗能，降低地震力向梁体的传递。

（二）抗震构造措施

耗能装置是提升抗震性能的重要手段，塑性耗能器通过金属材料屈服变形耗能，摩擦阻尼器利用接触面摩擦消耗地震能量，二者常安装于梁体与桥墩的连接处。限位装置用于限制梁体最大位移，钢挡块配合缓冲垫可有效防止落梁，钢拉杆则能在地震后将梁体复位。基础加固方面，扩大基础通过增大受力面积降低地基应力，桩基础适用于软土地基，通过桩体与

地基的共同作用提升抗震稳定性。

（三）抗震验算方法

静力法中的底部剪力法适用于中小跨径桥梁，通过将地震力简化为作用于结构底部的剪力，计算结构内力；动力法中的时程分析法则通过输入实际地震波，模拟结构在地震过程中的动力响应，更适合复杂桥梁的抗震验算。工程中常结合两种方法，确保验算结果的可靠性。

四、道路桥梁抗震设计的优化策略

（一）基于性能的参数优化

刚度优化需合理调整梁体与桥墩的刚度比，避免刚度突变导致地震力集中；质量分布优化可采用轻质材料（如高强混凝土、钢结构）减轻上部结构自重，降低地震惯性力；阻尼比提升可通过安装附加阻尼器实现，研究表明，阻尼比每提高 1% ，结构地震响应可降低 10%～15% 。

（二）减隔震技术的集成应用

被动控制方案中，隔震支座与耗能装置的组合应用效果显著。某高速公路桥梁改造中，采用铅芯隔震支座配合摩擦阻尼器，使梁体地震位移减少 30% ，桥墩内力降低 25% 。主动控制技术虽成本较高，但地震预警系统与自动限位装置的联动，可在地震来临前快速限制梁体位移，为高烈度区重要桥梁提供额外保障。

（三）全生命周期成本优化

抗震设计需平衡前期投入与后期维护成本。“强抗震设计+低维护”模式虽初期成本较高，但可减少震后修复费用；“常规设计+高修复”模式初期成本低，但震后损失可能更大。实际工程中，应结合桥梁重要性、地震风险等因素综合选择。此外，关键构件模块化设计可缩短修复工期，降低交通中断带来的间接损失。

五、 挑战与未来展望

道路桥梁抗震优化虽取得显著进展，仍面临诸多挑战：

1.复杂环境耦合效应：地震-风、地震-波浪等多灾害耦合作用机理需深入研究；

2.新材料与新结构体系：高性能复合材料（FRP）、形状记忆合金（SMA）及3D 打印技术在桥梁抗震中的应用潜力巨大；

3.智能算法深度整合：机器学习、深度学习在震害快速预测、优化设计及实时控制中的应用有待突破；

4.全寿命周期韧性设计：需建立涵盖设计、施工、监测、维护、震后修复的全过程韧性提升框架；

5.规范持续更新：PBSD 理念需加速向工程实践转化，推动规范升级。

六、结论

道路桥梁抗震设计需结合结构形式、场地条件和规范要求，合理选择结构选型、构造措施和验算方法。减隔震技术与参数优化的结合，是提升中小跨径桥梁抗震性能的有效路径。目前，现有方法对复杂地质条件的适应性仍需加强，未来可结合BIM 技术、人工智能开展抗震设计参数的智能优化，实现设计效率与性能的双重提升。

参考文献

[1] 中华人民共和国交通运输部. 公路桥梁抗震设计规范（JTG/T2231-01-2020）[S]. 北京：人民交通出版社, 2020.

[2] 李忠献, 王卫永. 桥梁抗震设计理论与实践[M]. 北京：科学出版社,2021.

[3] 张启伟. 公路桥梁减隔震技术应用指南[M]. 北京：人民交通出版社,2022.

[4] 中国地震局工程力学研究所. 汶川地震公路桥梁震害调查与分析[R]. 2008.