從日本地震看橋梁抗震設(shè)計

劉 軍

1 概述

2011年3月11日13時46分(北京時間13時46分)發(fā)生在西太平洋國際海域的里氏9.0級地震，震中位于北緯38.1°，東經(jīng)142.6°，震源深度約20 km。日本氣象廳隨即發(fā)布了海嘯警報稱地震將引發(fā)約6 m高海嘯，后修正為10 m。根據(jù)后續(xù)研究表明海嘯最高達到23 m。日本防衛(wèi)省12日稱，離震中較近的福島縣南相馬市約1800戶人家遭受毀滅性打擊，遇難者恐超千人。災(zāi)區(qū)很多房屋在地震中倒塌燒毀，還有一些被海嘯沖走，損失慘重。有關(guān)人士表示日本地震的破壞力相當(dāng)于20多個汶川地震。

自2010年以來，全球地震災(zāi)害不斷。2010年是智利8.8級大地震，2011年是日本的9.8級大地震，地球進入了第三次地震頻發(fā)期。隨著現(xiàn)代化城市人口的大量聚集和經(jīng)濟的快速發(fā)展，地震造成的損失越來越大。地震災(zāi)害不僅是大量地面構(gòu)筑物和各種設(shè)施的破壞和倒塌，而且次生災(zāi)害中因交通及其他設(shè)施的毀壞造成的間接經(jīng)濟損失也十分巨大［1］。

中日橋梁抗震設(shè)計規(guī)范比較:

1)設(shè)計地震動水準(zhǔn):我國抗震設(shè)計的三個水準(zhǔn)是:多遇地震重現(xiàn)期為50年;設(shè)計地震重現(xiàn)期為475年;罕遇地震重現(xiàn)期為2475年。日本設(shè)計預(yù)期地震分為兩個水準(zhǔn):L1地震動是指在結(jié)構(gòu)物的設(shè)計使用期限內(nèi)可能發(fā)生數(shù)次的地震;L2地震動是指結(jié)構(gòu)物的設(shè)計使用期內(nèi)發(fā)生的幾率雖低，但強度非常大的地震［2］。

2)抗震設(shè)防目標(biāo):我國規(guī)定了三種抗震性能要求:“小震不壞”是指結(jié)構(gòu)物地震后不損壞或有輕微損壞，能保持其正常使用功能;“中震可修”是指地震后結(jié)構(gòu)物可能損壞，經(jīng)修補后短期內(nèi)能恢復(fù)其正常使用功能;“大震不倒”是指地震后結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)生較大破壞，但不出現(xiàn)整體倒塌，經(jīng)搶修后可限速通車。日本也規(guī)定了三種抗震性能要求:一級是指地震后不需修補就能保持功能，而且不發(fā)生過大變形;二級是指地震后需要修補，但能盡快恢復(fù)功能;三級是指地震后結(jié)構(gòu)物不發(fā)生整體破壞。

3)中國規(guī)范的抗震設(shè)計反應(yīng)譜曲線的平臺寬度比日本小，對于反應(yīng)譜中的加速度反應(yīng)最大值，要結(jié)合日本規(guī)范的兩種地震動水準(zhǔn)(Ll和L2)進行比較，并考慮中國規(guī)范的設(shè)防烈度［2］。

2 橋梁抗震

中國處于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶之間，是一個地震多發(fā)的國家，我國大概有公路橋梁20多萬座，其中大部分位于地震區(qū)，很多橋已經(jīng)年久失修，又受到使用荷載和環(huán)境因素等作用，許多橋梁的抗震性能發(fā)生了很大變化。公路橋梁在地震中的損傷將會直接造成國民經(jīng)濟的損失和人民群眾生命財產(chǎn)的破壞［5］，因此我們必須花大力氣做好橋梁的抗震工作。

2.1 橋梁抗震設(shè)計規(guī)定

橋梁抗震是為避免橋梁遭受地震的破壞所采取的技術(shù)措施。一般抗震設(shè)計有如下規(guī)定:

1)在選擇公路工程建設(shè)場地時，可根據(jù)實際的地質(zhì)情況和工程需要選擇對抗震有利的地段，一般宜選在堅硬土或開闊、平坦、密實的中硬土地段，不宜選在孤突的山梁、軟弱粘土和可液化土層等地段。2)選擇合理的橋梁結(jié)構(gòu)方案，確定路線的走向和主要控制點時，要避開基本烈度高的地區(qū);在路線設(shè)計中要合理利用地形，盡量采用淺挖低填的設(shè)計方案。3)在橋梁抗震驗算時，應(yīng)分別考慮順橋和橫橋兩方向的水平地震作用。對于簡支梁和連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)的抗震能力一般不驗算，應(yīng)采取抗震構(gòu)造措施。

2.2 地震對橋梁的破壞

橋梁的結(jié)構(gòu)主要為簡支梁、連續(xù)梁橋和拱橋。典型橋梁震害如下:

1)落梁破壞:如果橋梁上、下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生支承連接件不能承受的相對位移，則會使支承連接件失效，上部與下部結(jié)構(gòu)脫開，導(dǎo)致梁體墜毀。橋梁上部結(jié)構(gòu)的落梁是橋梁倒塌的首要原因。2)支撐破壞:支撐是聯(lián)系上部結(jié)構(gòu)和橋墩的主要構(gòu)件。支撐破壞后可能引起落梁，或是使橋墩承受地震力而引起橋墩提早破壞，實際上很難設(shè)計到橋墩破壞時支撐仍未損壞。橋梁一般在水平或垂直方向設(shè)置止震塊當(dāng)?shù)诙婪谰€，支撐上的梁即使在縱向支撐或止震塊破壞后也不至于落梁。在垂直車行方向上的支撐或止震塊破壞后，有可能發(fā)生橫向落梁現(xiàn)象［5］。3)墩柱破壞:墩柱如果不能抵抗自身的慣性力和由支座傳遞來的上部結(jié)構(gòu)的地震力，就會開裂甚至是折斷，發(fā)生該現(xiàn)象的原因主要是橫向約束箍筋數(shù)量不足和間距過大，不足以約束混凝土和防止縱向受壓鋼筋屈曲。4)基礎(chǔ)破壞:如果地基是軟弱地基則易受地震震動而變?nèi)酰虏拷Y(jié)構(gòu)就很有可能發(fā)生沉降和水平移動。如砂土的液化和斷層等。

2.3 橋梁抗震加固方法

我國規(guī)范對抗震加固的規(guī)定較少，主要內(nèi)容:確定抗震加固的重點橋梁;采取防落梁措施;軟基或可液化地基的處理;橋墩的鋼套或現(xiàn)澆鋼筋混凝土套加固;隔震支座［3］。

針對橋梁在地震中的震害類型，目前，國內(nèi)外橋梁抗震加固主要采取以下技術(shù)措施:

1)在伸縮縫、梁端等上部接縫處采用拉桿、擋塊或者增加支承面寬度等措施。2)通過延性設(shè)計，使橋梁的屈服只發(fā)生在預(yù)期的塑性鉸部位，其余結(jié)構(gòu)保持彈性。增加鋼筋混凝土橋墩的橫向約束，在墩柱潛在塑性鉸區(qū)域內(nèi)加密箍筋的配置，同時也要注意將墩柱的縱筋盡可能延伸至蓋梁和承臺的另一側(cè)面，塑性鉸加密區(qū)域配置的箍筋應(yīng)延伸到蓋梁和承臺內(nèi)。通過以上一系列措施可提高其抗彎延性和抗剪強度。3)采用減隔震技術(shù)提高橋梁的抗震性能。采用柔性支撐延長結(jié)構(gòu)周期，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng);采用阻尼器裝置耗散能量，限制結(jié)構(gòu)位移;保證結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下有足夠剛度。減隔震技術(shù)的適用條件:上部結(jié)構(gòu)連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)剛度較大，結(jié)構(gòu)基本振動周期較短;橋梁下部結(jié)構(gòu)高度變化不規(guī)則，剛度分配不均勻;場地條件較好，預(yù)期地面運動特性具有較高的卓越頻率。

3 結(jié)語

從最近發(fā)生的日本9級地震，我們應(yīng)清楚的認(rèn)識到橋梁和其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不僅要考慮到防止生命損失，更要考慮到地震以后，它們能否達到使城市繼續(xù)運轉(zhuǎn)的要求。這就要求橋梁工程界的專家們能夠運用自己豐富的知識和實踐經(jīng)驗，并且采用新技術(shù)、新材料提高橋梁的抗震防災(zāi)能力，保障人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。

［1］ 伊藤隆吉，王君杰.日本橋梁抗震設(shè)計規(guī)范［A］.中國土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會第十四屆年會［C］.2000.

［2］ 翁 艷，朱寶龍.中日橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的若干比較［J］.四川建筑科學(xué)研究，2010，36(3):161-163.

［3］ 鄭 罡，牛松山.橋梁抗震加固方法與加固材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文獻綜述［J］.公路交通科技，2006(6):69-72.

［4］ 劉秀霞.橋梁抗震設(shè)計及抗震加固技術(shù)探討［J］.城市建設(shè)，2010(14):26-27.

［5］ 王永剛.公路橋梁抗震性能評估研究［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2000(19):14-16.