橋梁的抗震設(shè)計方法分析

張春來 馬小花

摘 要：我國為地震多發(fā)區(qū)，近100年超過7級地震就發(fā)生過15起，我國有41%的國土地震基本烈度在7度及以上地區(qū)。地震作用對橋梁結(jié)構(gòu)影響較大，會給橋梁帶來無法修復(fù)的損傷。本文結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗及汶川地震橋梁破壞結(jié)果，分別闡述5種橋梁破壞形式以及在進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計中，采用何種方法來提高橋梁在地震作用下的抗震等級。通過本人的一點見解，希望對于橋梁設(shè)計人員能夠起到幫助。

關(guān)鍵詞：地震作用；主梁脫落；橋墩破壞；基礎(chǔ)破壞

中圖分類號：U442 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

地震災(zāi)害發(fā)生時會對道路橋梁造成較大的破壞，不利于震后災(zāi)后救援和重建。道路橋梁是災(zāi)民的綠色生命線。在道路橋梁的設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)積極做好抗震設(shè)計，尤其是在一些地震災(zāi)害多發(fā)區(qū)，更要對抗震設(shè)計加以重視。本文對橋梁在地震災(zāi)害中所容易遭受損壞的部位進(jìn)行闡述，在此基礎(chǔ)上對橋梁抗震設(shè)計中的要點進(jìn)行分析介紹。

1 地震災(zāi)害下橋梁所容易遭受的損壞

1.1 橋梁地基與基礎(chǔ)容易遭受的損壞

地基與基礎(chǔ)部分是橋梁核心部分，在地震災(zāi)害下因地質(zhì)變動，將導(dǎo)致地層的穩(wěn)定性遭到破壞，進(jìn)而容易引起地層的水平滑移、下沉和斷裂，從而使得基礎(chǔ)上的橋梁結(jié)構(gòu)部分遭到嚴(yán)重的損壞。在地震災(zāi)害下橋梁的樁基可能發(fā)生剪斷、傾斜破壞，進(jìn)而引起墩臺傾斜、倒塌或折斷。

1.2 橋臺沉陷

橋臺后填土與橋臺兩者并非完全固結(jié)，在地震發(fā)生時，地層產(chǎn)生的破壞力將使得橋臺填土承受較大的縱向載荷，與此同時，地震中橋臺與橋梁之間也將承受來自于地震的被動土壓力，由于橋梁中橋面的連接支撐作用，在地震中橋梁將會在縱向力的作用下以橋臺頂端為支點產(chǎn)生豎向旋轉(zhuǎn)，從而使得橋梁的結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差、錯位，進(jìn)而造成橋梁損壞。在地震中所產(chǎn)生的縱向載荷不僅僅會導(dǎo)致橋梁發(fā)生豎向旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)重的甚至?xí)驗橐夯炼沟脴蚺_產(chǎn)生垂直沉陷，而橋面將會在巨大的扭矩作用下遭到破壞。

1.3 墩柱破壞

在橋梁設(shè)計中若未能考慮到抗震問題將使得墩柱的彎曲強度、彎曲延性、抗彎能力以及剪切強度不足。而這些問題的存在將使得橋梁無法承受地震力的反復(fù)作用而損壞，產(chǎn)生如落梁、整個結(jié)構(gòu)倒塌等的問題。

1.4 支座破壞

地震時，在巨大的地震外力下橋梁上下位移過大將破壞支座錨固，致使橋梁將會因支座位移而使得橋梁的整體性和載荷分布發(fā)生較大的變化。

1.5 節(jié)點破壞

節(jié)點區(qū)域鋼筋大量相交，橋梁中大量的力和載荷都集中在節(jié)點區(qū)域，在地震時節(jié)點區(qū)域?qū)驈?fù)雜地震力的作用而造成節(jié)點區(qū)域混凝土的壓碎和錨固筋的破壞。

2 橋梁抗震設(shè)計的原則

在橋梁抗震設(shè)計中應(yīng)當(dāng)遵循以下設(shè)計原則：橋梁抗震設(shè)計應(yīng)當(dāng)結(jié)合橋梁項目地的地形、地質(zhì)條件、工程規(guī)模以及震害經(jīng)驗和過往震害記錄進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，合理地對橋梁的橋型、墩臺以及基礎(chǔ)形式進(jìn)行選擇。在設(shè)計中出于抗震考慮應(yīng)當(dāng)盡量避免高墩與大跨的結(jié)合，應(yīng)盡量選用重量較輕的上部結(jié)構(gòu)形式和抗震設(shè)計，在橋梁抗震設(shè)計中應(yīng)當(dāng)確保橋梁的整體性和上部結(jié)構(gòu)部分的連續(xù)性。這是由于橋梁的整體性有助于避免在地震時橋梁的結(jié)構(gòu)件部分與非結(jié)構(gòu)件部分因較大的震動而震散掉落。同時橋梁整體性也是結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用的基本條件。無論是在平面還是在立面上，結(jié)構(gòu)的布置都要力求使幾何尺寸、質(zhì)量和剛度均勻、對稱、規(guī)整，避免突然變化。在橋梁抗震設(shè)計中，對于橋梁的各構(gòu)件部分應(yīng)當(dāng)要求高規(guī)格的結(jié)構(gòu)強度和延性。針對地震時對橋梁所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動問題，在橋梁抗震設(shè)計中應(yīng)當(dāng)盡量將由橋梁地基傳入橋梁結(jié)構(gòu)的振動能量削弱至最小，減少其對橋梁的傷害，同時還應(yīng)確保橋梁抗震設(shè)計后橋梁具有適當(dāng)?shù)膹姸取偠群脱有裕靡员苊獠荒苋萑痰钠茐摹臉蛄旱目傮w強度和延性兩個方面出發(fā)，在不增加重量、不降低橋梁剛度的情況下再提高橋梁抗震性。這是由于地震中地層振動傳遞至橋梁中時將導(dǎo)致橋梁的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件產(chǎn)生周期性的反復(fù)變形。在橋梁抗震設(shè)計中應(yīng)當(dāng)結(jié)合各構(gòu)件強度安全度的不同來構(gòu)建橋梁在地震時的延性形式反應(yīng)，確保橋梁不發(fā)生脆性破壞，從而確保橋梁具有良好的橋梁抗震性。我國橋梁抗震設(shè)計中多遵守的是“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計思想，通過不同結(jié)構(gòu)件的強度區(qū)別最大限度地確保橋梁在地震時能夠獲得良好的抗性。

3 橋梁抗震設(shè)計方法

現(xiàn)代社會對于地震振動和地層在地震時的結(jié)構(gòu)動力特性的研究更加深入，并在這些理論的基礎(chǔ)上形成了多種抗震設(shè)計理論和橋梁抗震設(shè)計方法。在橋梁抗震設(shè)計中有以下幾種設(shè)計方法：（1）構(gòu)建新的橋梁減震結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)相較于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在抗剪切承載性、延性方面更強，且滯回曲線更加飽滿，對于地震有著更強的抗性。使得橋梁能夠在地震發(fā)生時將橋梁的變形限制在可承受的范圍內(nèi)。減少橋梁在大塑性變性下所遭受的破壞。（2）利用橋墩延性減震，這一設(shè)計方法是在橋梁抗震設(shè)計中采用較多的一種設(shè)計方法，這一減震設(shè)計將橋墩某些部位在設(shè)計時增加更多的延性，在地震發(fā)生時，這些加強部位形成更加穩(wěn)定的延性塑性鉸并產(chǎn)生彈性變形，提高了橋梁的穩(wěn)定性。（3）隔震支座法。隔震支座位于橋梁梁體與墩、臺的連接處，使橋梁獲得更好的柔性和阻尼以降低橋梁的地震反應(yīng)。隔震支座設(shè)計能夠使得橋梁獲得更好的水平抗震性。此外，在橋梁設(shè)計中采用隔震支座和阻尼器相結(jié)合的系統(tǒng)，可以利用橋墩在地震作用下發(fā)生彈塑性變形來更多地消耗地震能量以實現(xiàn)橋梁的減震。

4 橋梁減震設(shè)計要點

在橋梁減震設(shè)計中需要注意以下幾方面的問題：（1）在設(shè)計中多采用連續(xù)橋跨設(shè)計而減少簡支梁跨設(shè)計的使用，連續(xù)橋跨設(shè)計能夠有效地減少伸縮縫的數(shù)量，進(jìn)而降低落梁發(fā)生的概率。（2）對于采用橡膠支座而無規(guī)定支座的橋梁在橋梁減震設(shè)計中應(yīng)當(dāng)在橋梁支座設(shè)計中設(shè)計支座加強，采用防移角鋼或者加設(shè)擋軌的方式來提高支座的抗震性。（3）在橋梁設(shè)計前需要積極做好項目地地質(zhì)勘測，并結(jié)合勘測數(shù)據(jù)對橋梁地基選址和橋型等進(jìn)行更好的設(shè)計，用以使得橋梁具有更好的抗震性。（4）橋梁施工會遭遇各種復(fù)雜的地質(zhì)狀況，尤其是一些位于常年有水河流上的特大橋、大中橋等的工程設(shè)計時，需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、環(huán)境等的因素做好橋梁的設(shè)計，尤其是地基設(shè)計時由于地基區(qū)域可能分布于河床或是灘涂區(qū)域，在這些區(qū)域中遭遇液化土或軟土的概率相當(dāng)大，為確保橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)固，多采用樁基礎(chǔ)形式，且將樁尖埋入穩(wěn)定土層內(nèi)一定深度。（5）在地震多發(fā)區(qū)域進(jìn)行橋梁設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計中盡可能地增加橋梁設(shè)計的整體性和規(guī)劃性，避免突變的出現(xiàn)；從幾何線性上看，盡量選用直線橋梁。在高墩橋梁的抗震設(shè)計中對于橋梁的上部與下部要避免全部采用剛性連接，而是應(yīng)當(dāng)選用減震支座作為上下部的連接形式，要結(jié)合橋梁設(shè)計合理地選擇梁墩的搭接長度。

結(jié)語

橋梁抗震設(shè)計是一門實踐性科學(xué)，在不斷積累經(jīng)驗教訓(xùn)的過程中，橋梁設(shè)計和研究人員通過不斷努力，使橋梁抗震設(shè)計設(shè)計理論不斷完善，未來設(shè)計出來的橋梁，能夠更大程度地減小地震對于橋梁的影響，從而保障國家和人民的生命和財產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

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