關(guān)于橋梁抗震設(shè)計的探討

黃繼旺 李輝

（1、湖北金恒通交通建設(shè)咨詢監(jiān)理公司，湖北 襄陽 441000;2、襄樊市交通規(guī)劃設(shè)計院，湖北 襄陽 441000）

一.引言

橋梁工程在現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)中起著重要的樞紐作用，但橋梁容易受到地震等自然災(zāi)害的破壞作用，從而造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，并使交通中斷。通過大量的橋梁震害研究發(fā)現(xiàn)，除液化、斷層等地基失效引起的破壞以外，地震對混凝土橋梁最常見的破壞形式有彎曲破壞、剪切破壞、落梁破壞和支座損傷等。下面筆者針對這幾種破壞形式來簡要探討橋梁的抗震設(shè)計要點。

二.橋梁抗震設(shè)計原則

根據(jù)歷次的橋梁震害教訓(xùn)和當(dāng)前公認(rèn)的理論認(rèn)識，學(xué)界普遍認(rèn)為橋梁抗震設(shè)計應(yīng)盡可能遵循以下這些基本原則，以使橋梁結(jié)構(gòu)在強度、剛度和延性等指標(biāo)上取得最佳的抗震效果。

1.場地選擇

橋梁選址應(yīng)避免地震時可能發(fā)生地基失效的松軟場地，而應(yīng)在堅硬場地上建設(shè)橋梁。基巖、堅實的碎石類地基、不穩(wěn)定的坡地都是危險的場地。當(dāng)不得已而選在軟弱地基上，設(shè)計時要提高基礎(chǔ)整體性，盡可能地減小地震造成的不均勻變形；在地基穩(wěn)定的條件下，還應(yīng)考慮地基和結(jié)構(gòu)的振動特性以防產(chǎn)生共振。

2.體系的整體性和規(guī)則性

橋梁的整體性要好，以防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時被震散掉落，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能是連續(xù)的，這樣有助于較好地發(fā)揮空間作用。橋梁在里面和平面結(jié)構(gòu)的布置上，應(yīng)盡量使質(zhì)量、剛度和幾何尺寸對稱、均勻，不得突然變化。

3.高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強度和延性

地震動引起的結(jié)構(gòu)振動是地震導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，所以從地基傳入結(jié)構(gòu)的振動能量越小越好，因而在設(shè)計中盡量使結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)膹姸取偠群脱有裕有院蛷姸仁菦Q定結(jié)構(gòu)抗震能力的兩個重要參數(shù)，而剛度的選擇有助于控制結(jié)構(gòu)變形。

4.能力設(shè)計原則

以往的橋梁設(shè)計思想認(rèn)為結(jié)構(gòu)各構(gòu)件都具有近似相等的安全度較為理想，即不讓結(jié)構(gòu)中存在薄弱點。但實際上各構(gòu)件的重要程度是有差別的，所以抗震結(jié)構(gòu)中不應(yīng)采取等安全度設(shè)計思想。

能力設(shè)計思想強調(diào)強度安全度差異，也就是在不同構(gòu)件與不同破壞模式間確立不同的強度安全度，以確保結(jié)構(gòu)在大地震下以延性形式反應(yīng)，避免出現(xiàn)脆性破壞模式。這種思想與建筑抗震設(shè)計中的"強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件"的原理是相同的。

5.多道抗震防線

設(shè)計中應(yīng)盡可能地使橋梁體系具有多道抵抗地震側(cè)向力的防線，使得地震過程中，一道防線破壞后仍有其他防線可支撐結(jié)構(gòu)，防止倒塌。

三.橋梁抗震概念設(shè)計

地震作用具有很強的隨機性，它是一種不規(guī)則的循環(huán)往復(fù)荷載，并且橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞機理十分復(fù)雜，人們對其認(rèn)識還不夠充分，所以目前還難以進行精確的抗震設(shè)計。因而人們提出了一種"概念設(shè)計"的思想，它是相對"數(shù)值設(shè)計"而言的，即是根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等獲得的設(shè)計思想和原則，來解決結(jié)構(gòu)總體方案和細(xì)部構(gòu)造，實現(xiàn)抗震設(shè)計。

橋梁抗震概念設(shè)計階段的主要任務(wù)是選擇結(jié)構(gòu)體系，理想的橋梁抗震結(jié)構(gòu)體系布置為：（1）從結(jié)構(gòu)布局上，橋梁保持小跨徑，以使橋墩承受的軸壓水平較低而獲得更佳的延性；基礎(chǔ)是建造在堅硬的場地上；上部結(jié)構(gòu)是連續(xù)的，伸縮縫盡可能少，以免出現(xiàn)落梁；各橋墩的強度和剛度在各個方向都相同；在多個橋墩上布置彈性支座，以便分散地震力。（2）從幾何線形上，直橋最好，并且各墩高度相差不宜過大，否則容易造成地震力的分配不均勻，不利于整體結(jié)構(gòu)的抗震。

在實際工程中，由于各種限制條件，如橋址地址條件、線路走向以及功能要求等，導(dǎo)致很難取得理想的抗震體系，但仍應(yīng)盡量考慮以上抗震概念設(shè)計的原則。

四.橋梁延性抗震設(shè)計

目前大多數(shù)多地震國家的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范已經(jīng)從傳統(tǒng)的強度理論向延性抗震理論過渡，這種設(shè)計思想主要借助結(jié)構(gòu)的選定部位的塑性變形來消耗地震能量，減小地震反應(yīng)，從而實現(xiàn)抵抗地震作用。

延性抗震設(shè)計首先須選定潛在塑性鉸區(qū)的位置，該位置應(yīng)是易于發(fā)現(xiàn)和易于修復(fù)的結(jié)構(gòu)部位，并且要應(yīng)能使結(jié)構(gòu)獲得最優(yōu)的耗能。通常橋梁結(jié)構(gòu)主要是由下部結(jié)構(gòu)承受整體重量，并且大量的震害調(diào)查也表明，橋梁下部結(jié)構(gòu)常因遭受巨大的水平地震慣性力作用而破壞，上部結(jié)構(gòu)很少會因地震動作用而破壞。所以塑性鉸位置應(yīng)在橋梁的下部結(jié)構(gòu)的橋墩上。

根據(jù)延性性能的發(fā)揮程度，延性結(jié)構(gòu)可分為完全延性結(jié)構(gòu)、有限延性結(jié)構(gòu)和完全彈性結(jié)構(gòu)三種，須根據(jù)實際情況來選擇結(jié)構(gòu)的延性類型。一般橋梁的鋼筋混凝土橋墩設(shè)計成延性構(gòu)件，為了保證其延性，可在預(yù)期塑性鉸區(qū)截面配置足夠橫向約束箍筋，以約束核心混凝土而提高其的極限壓應(yīng)變，從而提供設(shè)計所需的延性。還要對蓋梁、支座和基礎(chǔ)等構(gòu)件采取相應(yīng)的措施，使它們與延性構(gòu)件之間確立適當(dāng)?shù)膹姸鹊燃壊町悾ＷC始終不出現(xiàn)非彈性變形。

五.多階段設(shè)計方法

隨著對地震產(chǎn)生機理、破壞機理、構(gòu)件能力研究認(rèn)識的加深，橋梁的設(shè)防水準(zhǔn)也由原來的單一設(shè)防水準(zhǔn)一階段設(shè)計向著多水準(zhǔn)設(shè)防發(fā)展。

1.單水準(zhǔn)設(shè)防一階段設(shè)計

即設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)主要以橋梁結(jié)構(gòu)在大地震作用下不發(fā)生倒塌為設(shè)計目標(biāo)，以保證生命安全，避免大的財產(chǎn)損失。

2.雙水準(zhǔn)設(shè)防、三水準(zhǔn)設(shè)防兩階段設(shè)計

即"小震不壞、中震可修、大震不倒"的分類設(shè)防的抗震設(shè)計思想。一些地方中、小地震發(fā)生的可能性大，頻率高，可使結(jié)構(gòu)處于彈性范圍內(nèi)工作，使得結(jié)構(gòu)不致因累積損傷而影響其使用性能。而大地震在結(jié)構(gòu)使用壽命內(nèi)發(fā)生概率小，要想使橋梁結(jié)構(gòu)彈性地抵抗它，不僅會增加造價，而且對于大地震的防范效果也不大，所以允許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形和有限度的損傷。

3.三水準(zhǔn)設(shè)防三階段設(shè)計

在房屋建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，一般三水準(zhǔn)設(shè)防兩階段設(shè)計就能使結(jié)構(gòu)在小震下保持彈性、大地震下不倒塌。對于重要橋梁，由于兩階段設(shè)計未要求對中震設(shè)防水準(zhǔn)性能校核，這可能導(dǎo)致在發(fā)生該水準(zhǔn)地震作用時，橋梁并未倒塌，但支座、伸縮裝置等連接裝置發(fā)生損傷嚴(yán)重，使得結(jié)構(gòu)也不能正常使用。所以有學(xué)者提出采用三水準(zhǔn)設(shè)防三階段設(shè)計的方法，分別校核各自的設(shè)計指標(biāo)，確保設(shè)計滿足要求。

六.減隔震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

減隔震技術(shù)是近幾十年來發(fā)展起來的一種先進的、有效的抗震手段。減震是利用特制減震構(gòu)件或裝置，在地震時率先進入入塑性區(qū)，消耗進入結(jié)構(gòu)體系的能量；而隔震則是設(shè)法阻止地震能量進入主體結(jié)構(gòu)。

橋梁減隔震系統(tǒng)包含三部分：柔性支撐、阻尼裝置和必要的構(gòu)造措施。

1.柔性支撐裝置

橡膠支座是工程上應(yīng)用最廣、實用性最廣的柔性支撐，此外，還有滾軸、滑板、纜索懸吊、柔性套管樁、擺動等其他一些柔性裝置。

2.阻尼裝置

滯回阻尼是一種最有效的提供耗能的方式，即通過材料的塑性變形耗能。摩擦耗能也是一種阻尼耗能方式，但摩擦系數(shù)不易控制，并且其沒有自復(fù)位能力，震后易存在較大的殘余變形。另外還有液壓摩擦阻尼和粘滯阻尼等。

3.必要的剛度要求和構(gòu)造措施

減隔震裝置要發(fā)揮作用，支撐以上結(jié)構(gòu)，就必定要有足夠的自由活動空間，若伸縮縫滿足不了其需要，則須采取如"碰即脫"橋臺頂塊等特殊的構(gòu)造措施。此外，在地震作用下，結(jié)構(gòu)采用減隔震技術(shù)后一般會產(chǎn)生較大的位移，并且難以準(zhǔn)確估計此位移值，所以通常需要設(shè)置專門的防落梁裝置來防止地震下發(fā)生落梁和碰撞震害。

結(jié)語

除了以上幾種抗震設(shè)計思路和方法之外，還可通過配筋構(gòu)造和采取防止落梁的措施來提高橋梁的抗震性能。總之，橋梁的抗震設(shè)計方法和措施很多，我們橋梁工程人員應(yīng)根據(jù)具體的橋梁性質(zhì)和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況來選用合適的抗震設(shè)計方法，在經(jīng)濟和技術(shù)水平允許的條件下提高橋梁的抗震性能。

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