淺談當(dāng)下橋梁的抗震設(shè)計

■李 輝 ■四川中恒工程設(shè)計研究院有限公司廣西分公司，廣西 南寧 530001

我國是一個地震發(fā)生頻率較高的國家，地震災(zāi)害的發(fā)生將會對地面建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，甚至造成大量的人員死亡，還會將交通阻斷。公路橋梁、鐵路橋梁壹級城市高架橋一旦遭到破壞，后續(xù)補(bǔ)救工作將會非常艱難。為了對人民的生命財產(chǎn)安全及橋梁設(shè)施的完好進(jìn)行保證，同時將公路運輸在抗震救災(zāi)中的作用更好的發(fā)揮出來，應(yīng)該在橋梁設(shè)計中對抗震設(shè)計加以重視。

1 橋梁震害現(xiàn)象分析

通過對我國震例的調(diào)查和研究，對橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的分析，可以對我國橋梁震害現(xiàn)象進(jìn)行以下分析:首先，地基與基礎(chǔ)破壞。地基破壞發(fā)生的原因主要有:不均勻沉降、穩(wěn)定性不足等，這些因素都可能會造成地層水平滑移、斷裂、下沉，最終結(jié)構(gòu)物遭到破壞。基礎(chǔ)破壞和地基破壞之間存在非常密切的關(guān)系，一旦地震對結(jié)構(gòu)周圍地基產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就會變低，很容易出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降或者滑移現(xiàn)象，甚至可能出現(xiàn)剪斷、傾斜破壞等一系列現(xiàn)象，最終出現(xiàn)墩臺傾斜、折斷或者倒塌。其次，橋臺沉陷。地震發(fā)生時，如果橋臺后填土與橋臺并沒有完全固結(jié)在一起，填土縱向土壓力會增大，同時被動土壓力會非常大，進(jìn)而出現(xiàn)橋臺向橋跨方向移動的趨勢。加上受到橋面支撐作用的影響，橋臺會產(chǎn)生豎向旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)破壞。第三，墩柱破壞。主要涉及到彎曲延性不足、剪切強(qiáng)度不足、彎曲強(qiáng)度不足等，通常會引起連鎖反應(yīng)。第四，支座破壞。在地震力的影響下，可能會拔出、剪斷支座錨固螺栓等，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力傳遞形式發(fā)生變化。第五，落梁破壞。當(dāng)支撐連接構(gòu)件失效后，結(jié)構(gòu)位移就會加大，梁體之間會出現(xiàn)相互沖擊，甚至落梁等現(xiàn)象的發(fā)生。

2 橋梁抗震設(shè)計方法的發(fā)展

2.1 基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計

傳統(tǒng)抗震設(shè)計主要采用基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計，這種設(shè)計方法主要是指將地震力作為靜荷載展開結(jié)構(gòu)分析，然后將結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則定義為結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度是否達(dá)到極限狀態(tài)。此種方法的主要缺陷是，在強(qiáng)震作用下，要求構(gòu)件保持彈性狀態(tài)，從而導(dǎo)致造價高昂。

2.2 基于延性的抗震設(shè)計

由于傳統(tǒng)的基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計理念的缺陷，很多學(xué)者提出了強(qiáng)震作用下將構(gòu)件進(jìn)入塑性工作范圍的理念進(jìn)行考慮，利用結(jié)構(gòu)的延性進(jìn)行抗震。這種設(shè)計方法主要利用地震力修正系數(shù)對反應(yīng)譜加速度的地震內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整，將不同結(jié)構(gòu)的延性需求反映出來。該方法的主要缺點是，整個結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防水準(zhǔn)是一樣的，不能對重要性不同的構(gòu)件區(qū)別對待，也造成一定的浪費。

2.3 基于性能的抗震設(shè)計

為克服基于延性的抗震設(shè)計方法的不足，抗震工程界提出了基于性能的抗震設(shè)計理念，其主要思想是:根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、用途及結(jié)構(gòu)破壞后引起的后果的嚴(yán)重性確定其性能目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上提出不同的抗震設(shè)防水準(zhǔn)，使用的過程中結(jié)構(gòu)具備預(yù)期的功能，使不同性能目標(biāo)要求得到滿足。該思想是一種基于投資和結(jié)構(gòu)使用效益的綜合平衡設(shè)防思想，在工程界中得到了廣泛贊同，但是因為受到地震作用效應(yīng)復(fù)雜性的影響，加上影響結(jié)構(gòu)性能因素的眾多，因此該抗震設(shè)計方法目前主要停留在概念設(shè)計階段。

2.4 基于位移的抗震設(shè)計

基于位移的抗震設(shè)計理念是:結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生變形，從而在宏觀上表現(xiàn)為位移。目標(biāo)位移的設(shè)置應(yīng)按照不同的地震設(shè)防水準(zhǔn)來設(shè)定，通過設(shè)計在給定水準(zhǔn)作用下結(jié)構(gòu)可以達(dá)到預(yù)先指定的目標(biāo)位移，最終實現(xiàn)對其地震行為的有效控制。目前，基于性能的抗震設(shè)計主要往往是利用基于位移的設(shè)計來實現(xiàn)的。

3 橋梁抗震設(shè)計措施

3.1 總體設(shè)計中應(yīng)注意的問題

這種抗震設(shè)計思想從概念設(shè)計入手，從宏觀上研究結(jié)構(gòu)抗震性能的合理性，從而降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的震害。在橋梁設(shè)計中，一般要注意以下問題。

3.1.1 橋位選擇

橋位應(yīng)選在地質(zhì)穩(wěn)定、土體堅硬的場地，避開土體松軟的場地。如橋位受限，難以避開土體松軟的場地，則盡量使橋梁與河道正交。在松軟地基上的一些特大橋、大中橋，在發(fā)生地震時很容易出現(xiàn)河岸滑移使橋臺向河心移動的現(xiàn)象，導(dǎo)致全橋長度的縮短，如橋梁與河道斜交就會使得梁體在地震中產(chǎn)生扭曲破壞。

3.1.2 橋型選擇

不同的結(jié)構(gòu)形式對地震的響應(yīng)是不一樣的，根據(jù)地震災(zāi)害統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，縱向落梁占橋梁震害的絕大多數(shù)，約暫97%。因此在橋型選擇上宜選擇結(jié)構(gòu)簡單，整體性好，有可靠縱向、橫向連接的橋型。如連續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)于簡支結(jié)構(gòu)，正交橋梁優(yōu)于斜橋、曲線梁橋。

3.1.3 橋孔布置

在橋孔布置時，應(yīng)兼顧防震能力與通過能力，以防震能力為主。一般來說，在地震多發(fā)地帶宜采用等跨橋孔布置方式，兩側(cè)橋孔對稱，同時采用低矮的橋墩。橋梁整體設(shè)計在滿足使用要求的前提下，盡量減少梁體重量，減少沒必要的附屬結(jié)構(gòu)，以簡潔為主。

3.2 橋梁抗震構(gòu)造的措施

(1)加強(qiáng)橋梁的整體性，避免落梁。針對常規(guī)梁橋來說，應(yīng)加強(qiáng)橋梁縱向聯(lián)系，適當(dāng)增加梁寬以防止主梁出現(xiàn)位移落梁的現(xiàn)象，同時還應(yīng)對墩臺頂蓋梁、支座的寬度適當(dāng)?shù)募訉挘⑦m當(dāng)增設(shè)抗震擋塊等裝置。

(2)注重結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，避免扭曲破壞。橋梁總體設(shè)計時，應(yīng)該注意連續(xù)跨內(nèi)下部墩身剛度相近，跨徑對稱布設(shè)，從而減小地震作用下的扭曲效應(yīng)。此外，應(yīng)對地震區(qū)橋跨設(shè)計長度進(jìn)行注意，以避免出現(xiàn)墩柱承受軸向力過大的現(xiàn)象，最終使墩柱的延性得到降低。

(3)消能、隔振設(shè)計。位于高烈度區(qū)的橋梁，應(yīng)將消能裝置設(shè)置在縱向位置上，還可以將結(jié)構(gòu)阻尼設(shè)置在梁體或者墩臺位置上，形成消能機(jī)制。

(4)加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛度。如果橋梁位于可能發(fā)生地震液化的地基上，可是采用深基礎(chǔ)，使樁穿過可能液化的土層，并將其埋人較穩(wěn)定密實的土層內(nèi)一定深度。

4 結(jié)語

綜上所述，在橋梁設(shè)計過程中，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是非常重要的一個環(huán)節(jié)，在現(xiàn)在我國的鐵路、公路大規(guī)模建設(shè)過程中，橋梁結(jié)構(gòu)的安全問題已經(jīng)引起大家的關(guān)注。在橋梁設(shè)計中一定要采取合理的抗震措施，從而促進(jìn)橋梁適用性、耐久性、安全性的進(jìn)一步完善與提升。

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