鐵路橋梁下部結構抗震設計優化研究

周立功

摘 要：基于可靠度設計理論的鐵路橋梁下部結構抗震設計，不僅能降低結構的冗余度，同時將體系破壞機制清晰地設計出來，從而減少地震后的修復費用。在抗震分析中，鋼筋混凝土橋墩、樁基礎系統的設計，不僅涉及到參數，還涉及系統模型選取、荷載傳導性能等核心問題。該設計方法基于多種結構組件的抗力層級和失效模型，利用塑性鉸的塑性變形避免脆性損傷，即通過犧牲某一構件產生定向損傷，來保全其他結構仍處于彈性變形狀態。鑒于此，本文就鐵路橋梁下部結構抗震設計優化展開探討，以期為相關工作起到參考作用。

關鍵詞：鐵路橋梁；下部結構；抗震設計

1、地震對地面和工程結構物的破壞作用

地震對地面和工程結構物的破壞作用主要表現以下方面：一是地震導致巖面和地面的突然破裂和位移引起附近的或跨斷層的建筑物的變形和破壞；二是地震引起巖體、土體的機械運動，如山崩、滑坡、泥石流等導致建筑物的破壞；三是地震引起土層的物理性能發生變化，使松散土層振密下沉，軟土層發生流塑或使砂土液化，使上部結構的基礎失去支持而產生下沉、傾斜或破壞；四是建筑物在地震的沖擊下發生的振動對建筑物的破壞。

2、橋梁主要震害形式

由于受地震破壞作用影響，橋梁的震害主要表現有以下幾方面：

（1）橋跨結構的震害，最常見的是移位，此外是橋面起伏、扭轉、鋼軌彎曲等，最嚴重的是落梁。

（2）支承部分的震害，主要是指錨栓變形、切斷、拔出、輥軸支座傾覆、支座附近混凝土開裂或剝落。

（3）橋臺的震害。橋臺的震害一般比橋墩多，引起震害的原因及其相應的震害有以下幾種：1）由于地基土液化，使橋臺向河心滑移、下沉、傾斜、傾倒或臺身斷裂等；2）由于臺背動土壓力，使橋臺傾斜、傾倒、臺身斷裂等；3）由于地震慣性力和梁端碰撞，胸墻被損壞；4）臺背填土（橋頭路堤）大量下沉、翼墻傾斜或坍塌等。

（4）橋墩的震害，主要是墩身下沉、傾斜及傾倒和墩身開裂、切斷等。

（5）基礎的震害，主要表現是基礎的整體移動、傾斜、下沉或樁身或沉井的開裂或斷裂。

3、橋梁下部結構的抗震設計

3.1、地震區橋位和橋型選擇

橋位應選擇在對抗震有利的地段，從選線、定橋位、決定橋孔布置等方面盡可能避免選擇在軟弱黏性土層、可液化土層和地層嚴重不均勻的地段，特別是斷層地段。如必須設置在可液化或松軟土層的河岸地段時，橋墩橋臺應采用樁或沉井等深基礎，橋長應適當增長，將橋臺置于穩定的河岸上，橋墩基礎要加強，在主河槽和河灘分界的地形突變處不宜設置橋墩。橋型要選擇抗震性能好、整體性強的結構體系，如連續梁，無鉸拱等。如著名的趙州橋，系單孔石拱橋，跨度37.37m，雖地處多地震區，建橋1300多年以來，經歷史上兩次大地震的考驗，至今安然屹立。

3.2、設計烈度

根據大量震害調查的事實表明，在基本烈度7度以下，橋梁震害極為輕微，因此規范中規定橋梁結構抗震設防的一般起點為基本烈度7度，最高9度。7度以下，結構不必進行抗震設計，高于9度或有特殊抗震要求的新型結構要進行專門的抗震設計?！惰F路工程抗震設計規范》規定：建筑物的設計烈度，除國家有特殊規定外，I、II、III級鐵路和I級工企鐵路應采用所在地區的基本烈度；II、III級工企鐵路除橋梁支座、橋梁和棚洞的防止落梁設施應采用所在地區的基本烈度外，其他工程的設計烈度均應按基本烈度降低1度采用。

3.3、設計方法

對一般橋梁工程，可按規范所規定的簡化方法進行結構抗震設計。我國規范是采用反應譜理論進行抗震設計，即根據設計烈度，以簡便的地震荷載系數計算地震慣性力，作為地震荷載，然后以一般結構靜力計算步驟求得結構最大內力和變位，使其控制在規范容許值的范圍內來確保結構的抗震安全。對大跨度或特別重要的橋梁結構，應對結構進行地震動力分析（地震反應分析）。分析的方法一般是直接根據建橋地區在強震時地面運動的加速度記錄，依照動力學的原理，應用電子計算技術，對結構作地震動力分析計算。對于已經建成的橋梁結構，如不滿足現行規范抗震設防的要求，也可通過結構地震動力分析作進一步的抗震鑒定和決定最優加固方案。

3.4、抗震強度及穩定性驗算

橋梁的抗震設計要根據安全和經濟兩方面統籌考慮，針對不同強度的地震采取不同的設計方法和要求?！惰F路工程抗震設計規范》規定設計烈度為7度及7度以上時，要按規定進行抗震設計及驗算，設計烈度高于9度或有特殊要求的建筑物及新型結構應進行專門研究設計。橋梁抗震驗算的荷載組合為地震作用與恒載和活載的最不利組合。其中，恒載包括結構自重、土壓力、靜水壓力及浮力，活載包括活載重力、離心力及列車活載產生的土壓力。橋梁抗震強度及穩定性驗算一般只需考慮水平地震荷載，并在順橋和橫橋兩個方向分別進行計算，主要驗算地基承載力、橋墩的水平地震荷載及內力、橋臺的土壓力和水平地震力等。

4、橋梁結構抗震措施

一般要求橋位應該選擇在對抗震有利的場地，橋梁要結構合理和整體性好，并應保證良好的施工質量。根據《鐵路橋梁抗震規范》，橋梁可采用的抗震措施主要如下：

（1）橋位應選擇在基本列度較低及河岸穩定和地基良好的地段。當難以避開液化土和軟土地基時，橋梁中線應與河流正交。

（2）橋式方案宜按等跨布置。橋墩應避免承受斜向土壓力。橋臺宜采用U形或T形橋臺。不要把橋臺布置在不穩定的河坡上。

（3）注重橋梁所用材料的抗震性能，一般脆性材料（如石砌圬工，素混凝土）不如延性大的材料（如鋼材，鋼筋混凝土）抗震性能好。

（4）無護面鋼筋的混凝土橋墩橋臺應減少施工縫，施工縫處必須設置接頭鋼筋，并采取措施保證接縫處混凝土的整體性。

（5）采用明挖基礎的橋臺，當基底摩擦系數小于或等于0.25是，宜將基底換填厚度不小于0.5m的砂卵石，提高抗滑穩定性。

結束語：

提出一套基于可靠度分析的橋梁抗震設計方法，該方法能夠保證所有構件承受預期的破壞模式，以合適的部件消散地震動的動能，失效的概率比特定值低。同時可以對鐵路橋梁進行靜態和動態的可靠度評估，以此來增強鐵路橋路的穩定性以及安全性。

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