淺析橋梁抗震設(shè)計(jì)

王建森

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院)

淺析橋梁抗震設(shè)計(jì)

王建森

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院)

橋梁作為重要的社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施，是生命線工程中的關(guān)鍵部分。因此，對(duì)橋梁震害加以正確分析，對(duì)橋梁采取合理、有效的抗震對(duì)策，保證橋梁在地震中的安全和正常使用，對(duì)城市和地區(qū)的抗震防災(zāi)減災(zāi)工作和地震災(zāi)區(qū)的震后恢復(fù)重建工作都具有重要的意義。橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)包括橋梁震害宏觀調(diào)查、橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、抗震措施。為了保障公路橋梁設(shè)施的完好，就需要在橋梁設(shè)計(jì)中對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)有充分的重視。

橋梁抗震；抗震設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)規(guī)范；抗震措施

1 橋梁震害類(lèi)型及原因分析

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋梁震害的調(diào)查研究結(jié)果表明，現(xiàn)在橋梁的破壞大多沿順橋向和橫橋向發(fā)生，而順橋向震害尤其嚴(yán)重，分析其破壞類(lèi)型和原因主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 落梁或梁體相互磁撞

地震位移造成的梁式橋梁上部活動(dòng)節(jié)點(diǎn)處因蓋梁寬度設(shè)置不足導(dǎo)致落梁或梁體相互磁撞引起的破壞。

1.2 地基土的地震液化

由于地基土（如飽和粉細(xì)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(jìn)而放大了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，使落梁的可能性增大。

1.3 支座破壞

在地震力的作用下,由于支座設(shè)計(jì)沒(méi)有充分考慮抗震要求，構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足，從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動(dòng)支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞等，并由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力的傳遞形式的變化，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的其他部位產(chǎn)生不利的影響。

1.4 軟弱的下部結(jié)構(gòu)破壞

由于橋梁下部結(jié)構(gòu)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)下部的開(kāi)裂、變形和失效，甚至傾覆，并由此引起全橋的嚴(yán)重破壞。

1.5 橋梁河岸滑移

在松軟地基上的橋梁，特別是特大橋、大中橋，地震時(shí)往往發(fā)生河岸滑移，使橋臺(tái)向河心移動(dòng)，導(dǎo)致全橋長(zhǎng)度的縮短，這類(lèi)震害是比較嚴(yán)重的[1]。

1.6 其他原因

另外橋梁結(jié)構(gòu)的震害還表現(xiàn)在如結(jié)構(gòu)構(gòu)造及連接不當(dāng)造成的破壞、橋臺(tái)臺(tái)后填土位移過(guò)大造成橋臺(tái)沉降或斜度過(guò)大造成橋墩臺(tái)承受過(guò)大的扭矩而引起的破壞等多種原因。

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)

2.1 地震區(qū)橋位和橋型選擇

橋位應(yīng)選擇在對(duì)抗震有利的地段，盡可能避免選擇在軟弱粘性土層、可液化土層和地層嚴(yán)重不均勻的地段。型要選擇抗震性能好、整體性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系，如連續(xù)梁，無(wú)鉸拱等。

2.2 設(shè)計(jì)烈度

抗震設(shè)防烈度為6度及6度以上地區(qū)的橋梁，都必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

2.3 設(shè)計(jì)方法

對(duì)一般橋梁工程，則按規(guī)范所規(guī)定的簡(jiǎn)化方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。中國(guó)規(guī)范是采用反應(yīng)譜理論來(lái)確保結(jié)構(gòu)的抗震安全。對(duì)大跨度或特別重要的橋梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)力分析。

從許多強(qiáng)震記錄的加速度反應(yīng)譜中,可以歸納出以下幾個(gè)特點(diǎn):1)地震反應(yīng)譜是多峰點(diǎn)曲線,阻尼為零時(shí),反應(yīng)譜值最大,峰點(diǎn)突出,但較小的阻尼(ζ=0.02)就能使反應(yīng)譜的峰點(diǎn)削平很多。2)加速度反應(yīng)譜在短周期部分上跳動(dòng)比較大,但周期稍長(zhǎng)時(shí),就顯出隨周期增大逐漸減小的趨勢(shì)。

根據(jù)上述特征,人們編制出了抗震設(shè)計(jì)用的加速度反應(yīng)譜,即設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,并不斷完善,將其納入國(guó)家抗震設(shè)計(jì)《規(guī)范》。我國(guó)《規(guī)范》中稱(chēng)為地震影響系數(shù)α曲線,其數(shù)值表達(dá)以重力加速度 g為單位的單質(zhì)點(diǎn)體系最大絕對(duì)加速度值。具體設(shè)計(jì)使用時(shí),可根據(jù)條件在曲線上查取與結(jié)構(gòu)自振周期相應(yīng)的α值。再由 F=α?W(W 為質(zhì)點(diǎn)重量)即可給出單質(zhì)點(diǎn)體系的等效地震作用力。其中,場(chǎng)地條件對(duì)αmax也有影響,因關(guān)系復(fù)雜且資料有限,目前還處在進(jìn)一步研究中[2]。

在地震反應(yīng)分析中的反應(yīng)譜理論中，最基本的多自由度體系線性動(dòng)力反應(yīng)分析方法有:時(shí)域分析法、頻域分析法和振型疊加法。雖然反應(yīng)譜能簡(jiǎn)潔合理地解決了關(guān)于地震動(dòng)強(qiáng)度問(wèn)題，分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，但由于反應(yīng)譜的建立過(guò)程中采取了一系列基本假定，地震動(dòng)本身的隨機(jī)性使得反應(yīng)譜還存在一些局限性，具體表現(xiàn)：

（1）反應(yīng)譜是彈性范圍內(nèi)的概念，不能反映結(jié)構(gòu)的非彈性性質(zhì)；

（2）反應(yīng)譜只反映了地震加速度中最強(qiáng)烈的部分，不能反映地震持時(shí)的影響；

（3）反應(yīng)譜不能反映建筑物的質(zhì)量和剛度沿高度不均勻分布時(shí)的情況；

（4）反應(yīng)譜僅能分析單個(gè)阻尼的情況，不能反映多個(gè)阻尼的情況[3]。

3 橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

當(dāng)前主要地震國(guó)家橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基本思想和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是：

設(shè)計(jì)地震作用基本分為兩個(gè)等級(jí)，都可歸納為功能設(shè)計(jì)地震和安全設(shè)計(jì)地震。

在功能設(shè)計(jì)地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)只允許發(fā)生十分輕微的破壞，不影響正常的交通，不經(jīng)修復(fù)也可以繼續(xù)使用；

在安全設(shè)計(jì)地震的作用下，允許橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的破壞，但不允許發(fā)生整體破壞，如倒塌、落梁，歐洲規(guī)范對(duì)此規(guī)定得最為清楚、具體。

各國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中雖然設(shè)定了兩個(gè)水準(zhǔn)，但在具體的設(shè)計(jì)程序上絕大多數(shù)仍堅(jiān)持以安全設(shè)計(jì)地震為準(zhǔn)的單一水平設(shè)計(jì)手法，并認(rèn)為第一設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的要求自動(dòng)滿(mǎn)足。

近十幾年發(fā)生在世界各地的大地震給橋梁結(jié)構(gòu)造成了重大破壞，同時(shí)也促進(jìn)了橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂工作。

規(guī)范的修訂主要參考了近十幾年來(lái)的地震震害經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)借鑒了結(jié)構(gòu)抗震研究領(lǐng)域的最新研究成果。概況起來(lái)，新規(guī)范的發(fā)展動(dòng)向有以下幾個(gè)方面：

（1）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的作法是，只針對(duì)單一的地震作用水平進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。現(xiàn)在的問(wèn)題是針對(duì)每一個(gè)目標(biāo)都結(jié)出相應(yīng)的具體設(shè)計(jì)程序。這樣一來(lái)，就需要對(duì)目前實(shí)際上還是單一水準(zhǔn)強(qiáng)度抗震設(shè)計(jì)原則進(jìn)行修訂，采用多水準(zhǔn)、多設(shè)防目標(biāo)和多階段的抗震設(shè)計(jì)原則。

（2）延性和位移設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，即使考慮到延性和位移，也是通過(guò)強(qiáng)度指標(biāo)間接地實(shí)現(xiàn)。

（3）減、隔震和耗能設(shè)計(jì)：橋梁結(jié)構(gòu)減、隔震和耗能技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究和開(kāi)發(fā)后，已經(jīng)逐漸進(jìn)入實(shí)用階段。

4 抗震措施

為防止或減輕震害，提高結(jié)構(gòu)抗震能力，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造所作的改善和加強(qiáng)處理，這些措施可歸納為：

（1）對(duì)于高烈度地區(qū)抗震控制設(shè)計(jì)的橋梁，采用減隔震支座的可以很好地解決工程難題，達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)的既定抗震設(shè)防目標(biāo)[4]。

（2）構(gòu)造方式來(lái)解決抗震問(wèn)題一般比較經(jīng)濟(jì)，我國(guó)主梁縱向連接方式普遍采用橋面連續(xù)，有效地增加了支座對(duì)主梁變形的約束，協(xié)調(diào)了主梁各跨的位移，值得推廣。

（3）對(duì)于兩岸條件良好，尤其是兩側(cè)邊坡存在潛在地質(zhì)災(zāi)害的情況，建議采用拱橋，增強(qiáng)橋梁抵御落石的能力[5]。

（4）拱橋抗震要注意主拱保持彈性，橫撐剛度不宜過(guò)大，應(yīng)遵循“強(qiáng)拱弱撐”的原則。要注意選擇在地震條件下穩(wěn)定的地基。

（5）橋臺(tái)的限位作用對(duì)于橋長(zhǎng)200m以?xún)?nèi)的橋梁是有效的。對(duì)于流水量不大的橋梁，不要采用過(guò)長(zhǎng)的引橋。

5 結(jié)論

（1）目前橋梁抗震設(shè)計(jì)中有許多問(wèn)題不能定量描述，仍需根據(jù)震害、概念設(shè)計(jì)及定性研究的成果提出細(xì)部構(gòu)造[6]。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及性能的定量研究。橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是我們?nèi)栽诿媾R的問(wèn)題，尤其是大跨度橋梁的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)目前沒(méi)有定論。許多專(zhuān)家、學(xué)者一直在提倡分級(jí)設(shè)防，對(duì)于每一級(jí)別結(jié)構(gòu)的性能要求也進(jìn)行了定性描述，對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)這些定性的描述無(wú)法指導(dǎo)設(shè)計(jì)，只有將這些描述量化到強(qiáng)度、變形、延性等才能真正實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)、多設(shè)防的目標(biāo)。

[1]劉恢先.唐山大地震震害[M].北京: 地震出版社,1986.

[2]沈聚敏,周錫元.抗震工程學(xué)[M].北京:建筑工業(yè)出版社,2001.

[3]胡聿賢.地震工程學(xué)[M].北京:地震出版社,1988.

[4]齊懷恩,王光遠(yuǎn).公路橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的研究[J］．東北公路，1999

[5]陳樂(lè)生，莊衛(wèi)林，超河清等,漢川地震公路震害調(diào)查(橋梁)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[6]莊衛(wèi)林，陳樂(lè)生.次川地震公路震害分析(新梁與隧道)[M]，北京：人民交通出版社，2013.

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1007-6344（2017）02-0019-01