橋梁抗震的構造措施

羅志堅 李木榮

摘要:本文分析了橋梁的震害原因,闡述了橋梁抗震設計及措施。

關鍵詞:抗震設計;地基;液化;墩臺

1 橋梁的震害原因

國內外學者對橋梁震害的調查研究結果表明,現在橋梁的破壞大多沿順橋向和橫橋向發生,而順橋向震害尤其嚴重,分析其破壞原因主要表現在以下幾個方面:

(1)地震位移造成的粱式橋梁上部活動節點處因蓋梁寬度設置不足導致落梁或粱體相互磁撞引起的破壞,而對拱式結構則主要表現在拱上建筑和腹拱的破壞,拱圈在拱頂、拱腳產生的破損裂縫,甚至整個隆起變形。

(2)由于地基土(如飽和粉細紗和飽和粘沙土)的地震液化影響同樣加大了地震位移的影響,進而放大了結構的振動反應,使落梁的可能性增大。當采用排架樁基礎時,則使樁基的承載力降低,從而造成與地震反應無關的過大的豎向和橫向位移,而簡支粱橋對此尤為明顯。另外,由于地基軟弱,地震時當部分地基液化失效后引起了結構物的整體傾斜,下沉等嚴重變形,進而導致結構物的破壞,震害較重。

(3)支座破壞,在地震力的作用下,由于支座設計沒有充分考慮抗震要求。構造上連接與支擋等構造措施不足,或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素,導致了支座發生過大的位移和變形,從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落及支座本身構造上的破壞等,并由此導致結構力的傳遞形式的變化,進而對結構的其他部位產生不利的影響。

(4)軟弱的下部結構破壞。即由于橋梁下部結構不足以抵抗其自身的慣性力和支座傳遞的主梁的地震力,導致結構下部的開裂、變形和失效,甚至傾覆,并由此引起全橋的嚴重破壞。

(5)在松軟地基上的橋梁,特別是特大橋、大中橋,地震時往往發生河岸滑移使橋臺向河心移動,導致全橋長度的縮短,這類震害是比較嚴重的。

(6)另外橋粱結構的震害還表現在如結構構造及連接不當造成的破壞、橋臺臺后填土位移過大造成橋臺沉降或斜度過大造成橋墩臺承受過大的扭矩而引起的破壞等多種原因。

2 橋梁抗震設計及措施

根據橋梁震害的分析知道,地震對橋梁的破壞作用,不僅與橋梁的結構本身有關,還與所處的場地、地基及地形地貌等有關。抗震設計中除了進行抗震設計計算外,橋位選擇、橋型選擇、結構體系布置、結構構造設計同樣重要。

2.1 總體設計中應注意的問題

2.1.1 橋位選擇

選擇橋址時,應避開地震時可能發生地基失效的松軟場地,選擇堅硬場地。基巖、堅實的碎石類地基、硬粘土地基是理想的橋址場地;飽和松散粉細砂、人工填土和極軟的粘土地基或不穩定的坡地都是危險地區。拱橋應盡量避免跨越斷層,特殊困難情況下應進行地震安全性評價。

2.1.2 橋型選擇

橋梁應結合地形、地質條件、工程規模及震害經驗,選擇合理的橋型及墩臺、基礎型式。宜盡可能采用技術先進、經濟合理、便于修復加固的結構體系。可以考慮采用減震的新結構,比如型鋼混凝土結構等。

2.1.3 橋孔布置

橋孔宜選用有利于抗震的等跨布置,并盡量避免高墩與大跨的結合。宜體形簡單、自重輕、剛度和質量分布均勻、重心低、便于施工。位于地震后可能形成泥石流溝谷上的橋梁,孔跨和橋下凈高宜根據流域內的地形、地質情況酌情加大。

2.2 橋梁抗震構造措施

2.2.1 基礎抗震措施

應加強基礎的整體性和剛度,同時采取減輕上部荷載等相應措施,以防止地震引起動態和永久的不均勻變形。在可能發生地震液化的地基上建橋時,應采用深基礎,使樁或沉井穿過可能液化的土層埋人較穩定密實的土層內一定深度。并在樁的上部,離地面1～3m的范圍內加強鋼筋布設。

2.2.2 橋臺抗震措施

橋臺胸墻應適當加強,并增加配筋,在梁與梁之間和梁與橋臺胸墻之間應設置彈性墊塊,以緩和地震的沖擊力。采用淺基的小橋和通道應加強下部的支撐梁板或做滿河床鋪砌,使結構盡量保持四鉸框架的結構,以防止墩臺在地震時滑移。

當橋位難以避免液化土或軟土地基時,應使橋梁中線與河流正交,并適當增加橋長,使橋臺位于穩定的河岸上。橋臺高度宜控制在8m以內;當臺位處的路堤高度大于8m時,橋臺應選擇在地形平坦、橫坡較緩、離主溝槽較遠且地質條件相對較好的地段通過,并盡量降低高度,將臺身埋置在路堤填方內,臺周路堤邊坡腳設置漿砌片石或混凝土擋墻進行防護,橋臺基礎酌留富余量。

如果地基條件允許,應盡量采用整體性強的T形、U形或箱形橋臺,對于樁柱式橋臺,宜采用埋置式。對柱式橋臺和肋板式橋臺,宜先填土壓實,再鉆孔或開挖,以保證填土的密實度。為防止砂土在地震時液化,臺背宜用非透水性填料,并逐層夯實,要注意防水和排水措施。

2.2.3 橋墩抗震措施

利用橋墩的延性減震是當前橋梁抗震設計中常用的方法。高墩宜采用鋼筋混凝土結構,宜采用空心截面。可適當加大樁、柱直徑或采用雙排的柱式墩和排架樁墩,樁、柱間設置橫系梁等,提高其抗彎延性和抗剪強度。

在橋墩塑性鉸區域及緊接承臺下樁基的適當范圍內應加強箍筋配置,墩柱的箍筋間距對延性影響很大,間距越小延性越大。

橋墩的高度相差過大時矮墩將因剛度大而最先破壞。可將矮墩放置在鋼套筒里來調整墩柱的剛度和強度,套筒下端的標高同其他橋墩的地面標高。

2.2.4 支撐連接構件抗震措施

墩臺頂帽上均應設置防止落梁措施,加縱、橫向擋塊以限制支座的位移和滑動。橡膠支座具有一定的消能作用,對抗震有利。在不利墩上還應采用減隔震支座(聚四氟乙烯支座、疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座等)及塑性鉸等消能防震裝置等。

選用伸縮縫時,應使其變形能力滿足預計地震產生的位移,并使伸縮縫支承面有足夠的寬度,同時設置限位器與剪力鍵。

2.2.5 上部結構抗震措施

落梁震害極為常見。實踐證明,加強上部結構的整體性,限制其位移,是提高橋梁上部結構抗震能力的有效措施。預防措施有:

(1)通常在梁(板)底部加焊鋼板,或采用縱、橫向約束裝置限制梁的位移,如拉桿、鋼筋砼擋塊、錨桿等,梁與墩帽用錨栓連接,T梁在端橫隔板之間螺栓連接,曲梁橋,應采用上、下部之間用錨栓連接的方式。橋梁的支座錨栓、銷釘、剪力鍵等應有足夠的強度。

(2)梁端至墩臺帽或蓋梁邊緣的距離,以及掛梁與懸臂的搭接長度必須滿足地震時位移的要求。

(3)橋梁跨徑較大時,可用連續梁替代簡支梁以減少伸縮縫,宜采用箱型截面。

(4)當采用多跨簡支梁時,應加強梁(板)之間的縱、橫向聯系,將橋面做成連續,或采用先簡支后結構連續的構造措施。

(5)采用真空壓漿方法,保證預應力管道水泥漿飽滿,提高預應力橋梁的強度和剛度。

2.2.6 結點抗震措施

橋梁結點區域一旦受損將難以修復。城市高架橋墩柱的結點、橋墩與蓋梁的結點、橋墩與基礎的結點等,是保證橋梁整體工作的重要構件。在橋梁抗震設計中,除了保證墩、梁有足夠的承載力和延性外,還要保證橋梁結點有足夠的承載力,避免結點過早破壞,即“強節點,弱構件”。

3 結束語

目前我國高速公路還處于建設的高峰期,還有很多高速公路橋梁需要建設。作為設計工作者,需要不斷完善自己的設計作品,更好地服務于公路建設,大家共同總結經驗,采取有效的措施來進一步提高橋梁結構的抗震能力,進而提高耐久性。