公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

胡凌哲 黃穎婳

摘 ?要：公路橋梁是我國(guó)的重要交通樞紐，在交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)揮重要的作用。地震作用對(duì)公路橋梁的威脅較大，一旦橋梁遭受損害，對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不利，甚至對(duì)地震災(zāi)區(qū)的救災(zāi)造成極大的阻礙。因此在公路橋梁設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)抗震與減隔震技術(shù)的研究和完善，將其融入其中橋梁設(shè)計(jì)中，利用科學(xué)恰當(dāng)?shù)目拐鸷蜏p隔震措施提升橋梁工程的抗震效果，增加橋梁工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證橋梁在地震作用下不被破壞，促進(jìn)交通運(yùn)輸行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：公路橋梁;結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計(jì);要點(diǎn)

1公路橋梁的震害體現(xiàn)形式

1.1橋梁上部結(jié)構(gòu)的破壞

一旦發(fā)生地震，公路橋梁的上部結(jié)構(gòu)可能遭受嚴(yán)重?fù)p壞。上部結(jié)構(gòu)的損傷主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)本身的地震損傷、位移損傷和構(gòu)件間的碰撞損傷。最常見(jiàn)的破壞是位移破壞，包括橫向位移、縱向位移、扭轉(zhuǎn)位移等;結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的沖擊地震損傷主要是指簡(jiǎn)支梁支座或橋臺(tái)處的縱向損傷，容易引起橋端失穩(wěn)，進(jìn)而引起橋梁傾斜、滑移、落梁、橋面坍塌等損傷;在地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)過(guò)大的水平位移也會(huì)導(dǎo)致主梁的破壞。

1.2橋梁支座連接損壞

地震對(duì)橋梁支座連接的破壞不容小覷。橋梁支座連接結(jié)構(gòu)往往是橋梁的關(guān)鍵部位，但它相對(duì)薄弱，更容易對(duì)這些結(jié)構(gòu)造成破壞。連接件一旦損壞，會(huì)引起上部結(jié)構(gòu)的大位移和慣性力，支座位移和支座位移支座的塑性變形以及支座局部錨固的失效，導(dǎo)致受損支座結(jié)構(gòu)不能承受上部荷載而失穩(wěn)，加劇了公路橋梁工程的震害。

1.3橋梁下部結(jié)構(gòu)損壞

公路橋梁下部結(jié)構(gòu)主要是指由鋼筋混凝土構(gòu)成的橋臺(tái)、橋墩、系梁等結(jié)構(gòu)。在地震力的作用下，這些結(jié)構(gòu)通常會(huì)發(fā)生剪切破壞、彎曲破壞、彎剪混合等形式的破壞，進(jìn)而引起橋梁下部結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂和斷裂，影響橋梁工程的安全運(yùn)行。橋梁下部結(jié)構(gòu)與地基密切接觸，受地震影響較大。橋梁下部結(jié)構(gòu)一旦損壞，容易造成橋梁上部結(jié)構(gòu)的損壞;同時(shí)，地基砂的地基承載力不足或地基承載力損失將嚴(yán)重影響公路橋梁下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性。地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞最終會(huì)造成嚴(yán)重的災(zāi)害，進(jìn)而影響公路橋梁的正常使用。

2公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1延性地震系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的觀察，提出了延性抗震的概念。在實(shí)際的地震破壞中，已經(jīng)觀察到缺乏結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并不一定會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，并且只要結(jié)構(gòu)的初始強(qiáng)度不會(huì)因非彈性變形而劣化并且基本上保持初始強(qiáng)度，就不會(huì)破壞結(jié)構(gòu)。既有橋梁的彈塑性消能部分可以安裝在墩中，以達(dá)到地震系統(tǒng)的目的，并便于檢查和維修墩的受損部分。典型的連續(xù)梁橋和簡(jiǎn)單的支撐梁橋是單柱墩，其消能部分位于墩底，而雙柱墩則是墩頂、墩底和綁梁端。因此，墩柱和系梁被設(shè)計(jì)為柔性部件，在彈性內(nèi)而不會(huì)損壞部件。通常延性地震系統(tǒng)適用于大比例墩和橋梁的地震設(shè)計(jì)。

2.2橋梁地震分析方法

2.2.1靜態(tài)方法

靜力設(shè)計(jì)方法通常不考慮橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，橋梁結(jié)構(gòu)地震損傷的唯一因素是地震加速度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，只考慮構(gòu)件的靜力分析，將構(gòu)件視為絕對(duì)剛體。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)不能近似為一個(gè)絕對(duì)剛體時(shí)，靜力法就不能考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。因此，靜力法雖然有限，但概念簡(jiǎn)單明了，適用于重力式橋臺(tái)、擋土墻等整體剛度較大的結(jié)構(gòu)的抗震分析。

2.2.2反應(yīng)譜法

反應(yīng)譜法將結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為易于理解和計(jì)算的靜力問(wèn)題。反應(yīng)譜法是規(guī)范的基本抗震分析方法。首先對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，然后利用譜曲線記錄了不同主振型下的強(qiáng)震反應(yīng)最大值，最后記錄了最大值。其他主要振型下的地震反應(yīng)也需要完成，不能根據(jù)地震得到橋梁結(jié)構(gòu)的最大地震反應(yīng)值。

2.2.3動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法

該方法主要將計(jì)算機(jī)程序、有限元分析和結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算相結(jié)合。應(yīng)用時(shí)程分析方法，通過(guò)有限元軟件將橋梁結(jié)構(gòu)離散為多節(jié)點(diǎn)、多自由度的有限元計(jì)算模型。結(jié)構(gòu)的地震加速度時(shí)間和地震反應(yīng)必須通過(guò)有限元軟件傳輸來(lái)計(jì)算。但由于其計(jì)算量大、塑性鉸等特點(diǎn)，其理論也比較復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。因此，該方法是一種比較重要、復(fù)雜的橋梁長(zhǎng)期抗震分析方法。

2.3橋梁抗震設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有支撐的簡(jiǎn)單橋梁結(jié)構(gòu)的情況下，必須對(duì)橋面的連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，主梁的位移必須提供足夠的加固寬度以防止梁墜落，并且梁的寬度基臺(tái)和支撐的頂部必須適當(dāng)加寬。并增加一個(gè)屏障裝置以防止移位。對(duì)于帶有橡膠軸承但沒(méi)有固定軸承的橋梁跨度，軸承的抗震設(shè)計(jì)要求增加防偏角或固定導(dǎo)軌。地震帶中的橋梁結(jié)構(gòu)的跨度和剛度與每個(gè)連續(xù)跨度的下墩相同。如果彈簧跨度不均勻且剛度不同，則可能會(huì)造成地震損壞。如果每個(gè)基臺(tái)的高度明顯不同，則可以使用基臺(tái)頂部的支撐件和基臺(tái)頂部的襯套尺寸來(lái)調(diào)整每個(gè)基臺(tái)的剛度，以便盡可能保持基臺(tái)的位移。在地震帶中，橋梁的跨度不能太長(zhǎng)，如果跨度較大，則柱會(huì)承受太大的軸向力，從而降低墩柱的延性。在高強(qiáng)度地區(qū)設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，應(yīng)縱向安裝某些能量消散裝置，例如使用收縮和隔離軸承，以通過(guò)柔性和阻尼連接結(jié)構(gòu)之間的力來(lái)分擔(dān)梁、柱和水平橋的荷載。拱橋?qū)χё乃轿灰品浅Ｃ舾?，為此，需要?jiǎng)討B(tài)支撐弧在地震帶。為了確保在地震期間同時(shí)激發(fā)每個(gè)支撐，必須將基座放置在整個(gè)巖石范圍內(nèi)或相同類型的位置。

2.4抗震加固

單排架柱抗震加固鋼筋混凝土柱抗震加固的主要目的是提高其抗剪強(qiáng)度，特別是在縱向鋼筋終接于中間高度而沒(méi)有足夠展開(kāi)長(zhǎng)度的橋墩上。這提高了柱的延性，因?yàn)榭梢员苊膺^(guò)早的剪切破壞。但若僅提高橋墩的延性，則地震后橋墩處產(chǎn)生的殘余位移可能增加。因此，還應(yīng)提高抗彎強(qiáng)度。然而，橋墩抗彎強(qiáng)度的增加往往會(huì)增加從橋墩傳遞到地基的地震力。通過(guò)對(duì)各種類型基礎(chǔ)的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)橋墩抗彎強(qiáng)度增長(zhǎng)率小于2時(shí)，由于地震力的增加而導(dǎo)致的基礎(chǔ)破壞可能并不顯著。因此，建議在該限值范圍內(nèi)增加橋墩的抗彎強(qiáng)度，以免對(duì)基礎(chǔ)造成嚴(yán)重?fù)p壞。針對(duì)這種要求，建議采用鋼夾套進(jìn)行抗震加固，并控制抗彎強(qiáng)度的增加，在現(xiàn)有柱周圍使用鋼套。在混凝土表面和鋼套之間注入環(huán)氧樹(shù)脂或補(bǔ)償收縮砂漿。鋼導(dǎo)管架和基腳頂部之間的橋墩底部有一個(gè)小間隙。這可以防止彎曲強(qiáng)度過(guò)度增加。為了以可控的方式增加柱的抗彎強(qiáng)度，在鋼套底部提供錨定螺栓。它們被鉆入基腳。通過(guò)選擇合適的錨桿數(shù)量和尺寸，可以控制橋墩抗彎強(qiáng)度的提高程度，該間隙是引起柱底部彎曲破壞所必需的。矩形截面的橋墩周圍也安裝有H型梁，位于導(dǎo)管架的下端。這可防止縱筋膨脹，并保持導(dǎo)管架的限制作用。為了驗(yàn)證這種加固方法的有效性，可進(jìn)行循環(huán)荷載試驗(yàn)，以檢查竣工和加固鋼筋混凝土柱的抗震性能。標(biāo)本的橫截面是60cm×60cm的正方形。剪跨比為5.0。對(duì)于改裝樣品，安裝了厚度為1.6mm的板，與基腳之間的垂直間隙為10cm。此外，還設(shè)置了H型梁來(lái)加固導(dǎo)管架的下端。在鋼筋混凝土橋墩和鋼導(dǎo)管架之間注入環(huán)氧樹(shù)脂。錨筋的布置使竣工試件的抗彎強(qiáng)度提高30%。施加的軸向載荷為150N/cm2。試驗(yàn)順序由位移控制的3個(gè)循環(huán)組成。位移繼續(xù)增加，直到試樣造成嚴(yán)重?fù)p壞，如縱向鋼筋斷裂。

結(jié)論

綜上所述，本文分析了地震對(duì)于橋梁的危害，針對(duì)地震對(duì)于橋梁危害的部位，隨后提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)，本文亦進(jìn)行了分析，目的是為了提高橋梁抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中的安全性及適用性。在地震中受損的公路橋梁的重建和維修，應(yīng)按照指導(dǎo)規(guī)范進(jìn)行。在所有路段試行指南規(guī)范，作為新建公路橋梁抗震設(shè)計(jì)和現(xiàn)有橋梁抗震改造的應(yīng)急措施。

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