關(guān)于匝道橋的抗震概念設(shè)計(jì)

薛阿暢

【摘 要】橋梁是交通生命線工程的重要組成部分，地震后，如果橋梁發(fā)生破壞，則將阻礙及時(shí)的救災(zāi)行動(dòng)，加重次生災(zāi)害，不僅導(dǎo)致人民生命財(cái)產(chǎn)的直接或間接損失，還影響到災(zāi)后的恢復(fù)與重建。因此，橋梁的抗震設(shè)計(jì)歷來受到人們的重視。

【關(guān)鍵詞】匝道橋；抗震概念；設(shè)計(jì)

引言

抗震概念設(shè)計(jì)是不著眼于抽象的計(jì)算模型、計(jì)算方法、計(jì)算數(shù)值、計(jì)算結(jié)果，而是著眼于橋梁結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng)。即從地震時(shí)橋梁的破壞機(jī)理和破壞過程的角度，來調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的整體布局，從根本上提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能。其內(nèi)容包括：合理選址、橋梁的總體布置的合理性、結(jié)構(gòu)延性的考慮、多道設(shè)防等各個(gè)方面。

一、我國(guó)地震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

（一）抗震概念設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

在橋梁抗震設(shè)計(jì)研究方面，目前國(guó)內(nèi)外在減隔震技術(shù)、橋墩延性抗震設(shè)計(jì)、防落梁措施、連梁裝置等方面進(jìn)行了大量的研究工作。美國(guó)在1971年San Fernando地震后，美國(guó)學(xué)者對(duì)地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，形成了反應(yīng)譜法、時(shí)程分析、隨機(jī)振動(dòng)分析等一系列的地震響應(yīng)計(jì)算方法。日本根據(jù)新瀉和阪神兩次地震的震害，也相繼修訂了抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)簡(jiǎn)支體系橋梁采用了大量的減隔震技術(shù)，采用了大量的高阻尼支座進(jìn)行橋梁的減隔震設(shè)計(jì)。我國(guó)工程結(jié)構(gòu)的抗震研究起步較晚，但進(jìn)展迅速。通過總結(jié)歷次地震震害的經(jīng)驗(yàn)，于1989年頒布了《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，2008年在汶川地震后又頒布了《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，提出了"兩水平設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)"的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并且對(duì)延性設(shè)計(jì)、位移設(shè)計(jì)、能力保護(hù)設(shè)計(jì)、減隔震設(shè)計(jì)等提出了明確的計(jì)算方法與構(gòu)造規(guī)定。

（二）抗震設(shè)防思想

在設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)上，新、舊規(guī)范之間基本維持相當(dāng)?shù)乃剑窃诳拐鹪O(shè)防思想上，卻存在較大的差別：舊規(guī)范在采用的是參照一個(gè)設(shè)防水平的地震參數(shù)確定地震作用，應(yīng)用線彈性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，即一水準(zhǔn)設(shè)防、一階段設(shè)計(jì)；新規(guī)范針對(duì)兩個(gè)設(shè)防水平的地震參數(shù)來確定地震作用，即二水準(zhǔn)設(shè)防、二階段設(shè)計(jì)。按照上述抗震設(shè)防思想，在實(shí)際的具體化操作中，新規(guī)范一是按照橋梁的重要性程度將有關(guān)橋梁的抗震設(shè)防劃分為A、B、C、D4個(gè)類別，按照所劃分的橋梁類別有區(qū)別的實(shí)施抗震設(shè)防；二是按照地震重現(xiàn)期的不同設(shè)計(jì)將地震劃分為E1和E2地震以對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同水平的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；三是針對(duì)近幾十年來有關(guān)震害經(jīng)驗(yàn)所表明變形能力和耗能能力不足是橋梁倒塌的主要原因，新規(guī)范通過延性設(shè)計(jì)保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的變形能力是較大的改進(jìn)。在上述新規(guī)范所注重的三方面，舊規(guī)范中的橋梁結(jié)構(gòu)均采用單一水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)地震是難以表現(xiàn)出的，因而，在抗震設(shè)防思想方面，新規(guī)范相較于舊規(guī)范具有較大水準(zhǔn)的提高。

二、橋梁的總體布置

（一）上部結(jié)構(gòu)

由于匝道橋很多是彎、窄橋，其在荷載作用下，包括靜力荷載和動(dòng)力作用，上部結(jié)構(gòu)的扭矩較大，上部結(jié)構(gòu)受力處于彎扭耦合狀態(tài)，故需要采用抗扭剛度較大的截面，且橋梁上部結(jié)構(gòu)的整體性要好。因此，對(duì)于匝道橋，特別是在小半徑曲線上的匝道橋，宜采用箱形截面（跨度相對(duì)較大時(shí)）或者實(shí)心截面（跨度相對(duì)較小時(shí)）。也正是因?yàn)槿绱耍瑸樵黾觿偠群头€(wěn)定性，上部結(jié)構(gòu)宜采用連續(xù)結(jié)構(gòu)。所以，對(duì)于匝道橋，上部結(jié)構(gòu)采用連續(xù)箱梁，或者連續(xù)實(shí)心板，或者類似的閉合截面，將有效地提高其抗震性能。

（一）下部結(jié)構(gòu)

1.橋墩的形式。

匝道橋一般相對(duì)較窄，橋墩一般采用雙柱墩或者獨(dú)柱墩，橋墩的剛度相對(duì)較小。在地震作用下，墩身的彎矩和剪力一般不大，但是位移相對(duì)較大，如有較好的限位措施，對(duì)于抗震來說，未必是不利的。而對(duì)于小半徑匝道橋來說，地震作用下，可能會(huì)導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生較大的扭矩，故橋墩的墩身宜采用抗扭剛度相對(duì)較大且整體性較好的結(jié)構(gòu)，如獨(dú)柱實(shí)心墩或者空心墩。如采用雙柱式墩，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行全橋空間地震響應(yīng)分析，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)。

2.橋墩的剛度。

對(duì)于連續(xù)梁橋，同一聯(lián)內(nèi)各橋墩的高度不同而導(dǎo)致其抗推剛度相差較大，則水平地震力在各墩間的分配不均衡，剛度大的墩將承受較大的水平地震力，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致剛度較大的橋墩發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致全橋的損毀。如果剛度扭轉(zhuǎn)中心和質(zhì)量中心偏離，上部結(jié)構(gòu)還將伴隨產(chǎn)生水平轉(zhuǎn)動(dòng)，又可能導(dǎo)致落梁或者上部結(jié)構(gòu)的碰撞。而匝道橋恰好容易符合這兩個(gè)條件：縱坡較大，橋墩高差將會(huì)比較大；在小半徑曲線上，地震作用下可能會(huì)出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.橋墩的強(qiáng)度。

如果要保證橋梁結(jié)構(gòu)在預(yù)期的地震作用下免遭破壞，結(jié)構(gòu)就必須具有足夠的強(qiáng)度，以抵抗結(jié)構(gòu)在其彈性地震反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)力。對(duì)于發(fā)生概率很低的地震，如475年一遇的地震（部規(guī)規(guī)定的設(shè)防地震），結(jié)構(gòu)為抵抗其激起的彈性地震力，需要相當(dāng)高的強(qiáng)度。對(duì)于一般性橋梁，如果確實(shí)這樣做的話，則意味著在經(jīng)濟(jì)上的極大浪費(fèi)。因此，實(shí)際上在設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)度通常只取對(duì)應(yīng)彈性地震力的一小部分，如25%～50%，并依靠結(jié)構(gòu)的非彈性變形能力，使結(jié)構(gòu)在地震中得以幸存。

4.橋墩的延性。

為了把嚴(yán)重的破壞降低到最低限度，并確保帶有適度抗倒能力的橋梁免于倒塌，當(dāng)大地震迫使橋梁產(chǎn)生大變形時(shí)（這些變形可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了彈性范圍），結(jié)構(gòu)仍能維持其大部分初始強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或材料用于抵抗其在非彈性反應(yīng)范圍內(nèi)的變形的能力，通常用延性這個(gè)術(shù)語來描述。延性是位于地震區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)所必須具備的一個(gè)無比重要的特性。結(jié)構(gòu)能夠依靠其延性在大地震中免于倒塌，其根本原因在于地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是以運(yùn)動(dòng)方式、而非力的方式出現(xiàn)。

三、橋梁抗震設(shè)計(jì)

（一）橋梁抗震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

盡量將橋軸線設(shè)計(jì)成直線，曲線梁使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)復(fù)雜化，盡可能使橋臺(tái)和橋墩與橋軸線垂直，斜交會(huì)引起轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)而增大位移。

盡量少用伸縮縫，將橋面做成連續(xù)的，簡(jiǎn)支梁地震時(shí)容易落梁。

基礎(chǔ)盡可能建在巖石或堅(jiān)硬沖擊土上，軟土或砂土易于放大結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，且軟土有震陷、飽和砂土有液化等地質(zhì)地震災(zāi)害。

塑性膠應(yīng)設(shè)置在墩柱上，易于觀察和修復(fù)；不設(shè)計(jì)在蓋梁、主梁、水中或地下的的樁頂處，不便觀察和修復(fù)。

（二）該互通式立交橋橋梁抗震設(shè)計(jì)

該互通式立交橋橋梁抗震設(shè)計(jì)本路區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，對(duì)應(yīng)地震烈度為Ⅶ度，構(gòu)造物設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。

在圓曲線處，橋梁采用18米普通鋼筋混凝土箱梁，即小跨徑箱梁。4.3.3在蓋梁兩端現(xiàn)澆25cm寬、60cm高的防止梁板側(cè)向位移的鋼筋混凝土防震擋塊；為吸收部分地震能量，減少地震引起的結(jié)構(gòu)間碰撞破壞，防震擋塊上粘貼2cm厚橡膠塊，蓋梁寬度滿足抗震細(xì)則的構(gòu)造要求。

四、結(jié)語

立交匝道橋由于其特殊性，在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)予以特別關(guān)注。本文針對(duì)匝道橋梁的特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)例，闡述了此類橋梁的抗震概念設(shè)計(jì)的重要理念和方法。

參考文獻(xiàn)：

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