公路橋梁設(shè)計與抗震措施

周維建

摘 要：在科技經(jīng)濟(jì)的發(fā)展推動下，公路橋梁的設(shè)計與施工技術(shù)有了極大的進(jìn)步，公路橋梁的設(shè)計結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，在公路橋梁的設(shè)計、施工環(huán)節(jié)中，需要結(jié)合實際情況分析橋梁的設(shè)計要點，進(jìn)而對橋梁的設(shè)計進(jìn)行不斷優(yōu)化，確保施工以及運行的安全性，因此，需要加強對公路橋梁設(shè)計與施工中注意事項的重視與分析，進(jìn)一步提高我國公路橋梁的建設(shè)發(fā)展水平。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;結(jié)構(gòu)設(shè)計;抗震設(shè)計

中圖分類號：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

如何使橋梁正常履行其工程職能，特別是其承受極端條件的能力，是橋梁設(shè)計者應(yīng)考慮的最重要問題。地震是常見的自然災(zāi)害之一，對工程師來說也是不利條件。地震是突然發(fā)生的，其特征是強大的破壞力和廣泛的破壞面積。沒有目標(biāo)設(shè)計，橋梁將無法承受災(zāi)難的破壞，并可能失去其使用能力。

1 意義

目前，我國的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其是地震災(zāi)害影響的范圍廣、破壞性大，其中對公路橋梁的破壞尤為明顯，因此在進(jìn)行公路橋梁設(shè)計的過程中增加了隔震設(shè)計。在公路橋梁施工的過程中安裝隔振器或者阻尼器，能有效地減少地震帶來的損壞。近些年來，眾多發(fā)達(dá)國家不斷的進(jìn)行研究和探索，完善隔震設(shè)計方案，并且取得了一定的成績。隔震設(shè)計是抗震方式的新的發(fā)展形勢，進(jìn)行橋梁的抗震設(shè)計時通過在一定程度上減少地震引起的橋梁結(jié)構(gòu)的振動，有效地避免橋梁結(jié)構(gòu)的損傷，增強橋梁的抗震能力。在傳統(tǒng)的橋梁的設(shè)計以及橋梁的施工過程中，通常情況下會提高橋梁的結(jié)構(gòu)強度以及結(jié)構(gòu)變形能力來增大橋梁的抗震效果。與之對比的是，橋梁的隔震設(shè)計的理論基礎(chǔ)是在橋梁的設(shè)計中加入了柔性的裝置進(jìn)行設(shè)計，減少橋梁結(jié)構(gòu)在水平方向運動的關(guān)聯(lián)性，保證橋梁關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件能夠減少地震的損傷，降低橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)加速度，并且在進(jìn)行隔震設(shè)計過程中添加阻尼設(shè)計，從而實現(xiàn)地震與橋梁結(jié)構(gòu)的隔離，減少地震的傳遞能量，從而使得橋梁的整體結(jié)構(gòu)的抗震能力大大增強。

2 橋梁地震破壞機(jī)理

通過對地震破壞橋梁的損傷識別分析的結(jié)果，可以看出，由側(cè)向地震波引起的橋梁各部分之間的壓縮和碰撞導(dǎo)致的破壞是橋梁地震破壞的重要原因。眾所周知，橋由連接在一起的幾個部分組成。當(dāng)橋梁承受強大的側(cè)向力時，諸如軸承和橫向鉸鏈之類的連接部件會導(dǎo)致橫梁向側(cè)面移動并與相鄰橫梁發(fā)生碰撞，從而損壞接頭。橋面鋪面被損壞，橋區(qū)因沖擊而損壞，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的光束下降和橋梁運輸功能的喪失。另外，地震使下面的土壤松散，破壞了基礎(chǔ)并失去了支撐功能。

3 橋梁結(jié)構(gòu)震害分析

地震對橋梁結(jié)構(gòu)的影響是巨大的，直接導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而影響橋梁的安全和質(zhì)量。為了更好地進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和抗震設(shè)防，有必要了解橋梁結(jié)構(gòu)的震害類型和原因。橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞包括兩種形式：橋梁結(jié)構(gòu)振動和由場地相對位移引起的強迫變形。第一種形式主要由場地運動引起。在慣性力作用下，地震作用將施加到橋梁結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的振動。第二種形式主要為場地相對位移所引起，在場地位移下通過支點強制變形產(chǎn)生的超靜定內(nèi)力，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)變形。地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會受到不同程度的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致各種質(zhì)量安全問題的發(fā)生。如橋墩開裂、傾斜，支座錨栓剪斷，橋墩滑移、落梁倒塌等。由于地震對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞程度不同，所以震害的表現(xiàn)形式也有所不同，如地震發(fā)生后，導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生位移，在位移過程中就會對橋梁上部結(jié)構(gòu)的各個節(jié)點造成影響，由于節(jié)點承載力和角度發(fā)生變化，就會導(dǎo)致橋梁梁體相互撞擊，出現(xiàn)橋梁整體隆起的表現(xiàn)。地震發(fā)生后，由于橋梁地基周圍土質(zhì)發(fā)生液化，所以也會導(dǎo)致橋梁發(fā)生位移，在位移影響下，很容易導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)落梁的表現(xiàn)。除此之外，橋墩剪切破壞、支座破壞、橋墩彎曲破壞都是橋梁震害的常見表現(xiàn)形式。對此，為了最大程度降低橋梁震害的影響，就必須做好橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計及設(shè)防措施。

4 抗震措施

4.1 隔震裝置附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

橋梁隔震裝置的附屬結(jié)構(gòu)對于橋梁的整體抗震性能也有著重要的作用，通常情況下，附屬結(jié)構(gòu)主要包括防落梁裝置、橋梁限位裝置以及伸縮縫等，在進(jìn)行大量的地震危害分析以及橋梁動力學(xué)分析之后，會發(fā)現(xiàn)這些附屬結(jié)構(gòu)對于橋梁整體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)結(jié)果以及隔震性能都有至關(guān)重要的影響。因此，在進(jìn)行橋梁隔震設(shè)計時應(yīng)該更加注重這些附屬結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)性的設(shè)計要點，進(jìn)行關(guān)鍵部位的動力學(xué)分析以及靜力學(xué)分析，深入地進(jìn)行研究附屬結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，進(jìn)行相關(guān)方面的計算分析，掌握附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理，做到在設(shè)計附屬結(jié)構(gòu)時應(yīng)該足夠的重視，確保附屬結(jié)構(gòu)滿足橋梁整體性能的要求，保證橋梁的質(zhì)量。

4.2 延性地震系統(tǒng)

通過對結(jié)構(gòu)破壞的觀察，提出了延性抗震的概念。在實際的地震破壞中，已經(jīng)觀察到缺乏結(jié)構(gòu)強度并不一定會對結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，并且只要結(jié)構(gòu)的初始強度不會因非彈性變形而劣化并且基本上保持初始強度，就不會破壞結(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)計為柔性部件，在彈性內(nèi)而不會損壞部件。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。

4.3 做好橋梁連接件的設(shè)計工作，減小伸縮縫

過去，通過加強結(jié)構(gòu)的強度和延性，進(jìn)一步提高了橋梁結(jié)構(gòu)的整體抗震能力。然而，這種方法也容易出現(xiàn)一些缺點，如受地震的影響。橋梁的抗震能力無法有效預(yù)測，因此當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，橋梁仍然受到很大的影響和損壞。因此，為了改善以往的不足，有必要引入一種新的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法。在橋梁抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，主要是應(yīng)用了型鋼混凝土的結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)，具有較好的應(yīng)用優(yōu)勢，承載能力較強，具有較強的抗剪能力，且延性較強，所以此結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。需要注意的是，設(shè)計工作人員在公路橋梁設(shè)計期間，要注重上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，確保上部結(jié)構(gòu)和下部抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，如就上部結(jié)構(gòu)來說，為了有效控制橋梁的伸縮縫隙大小，要降低橋梁，避免出現(xiàn)橋梁分離而引發(fā)位移風(fēng)險。此外，在設(shè)計期間應(yīng)用先簡支后連續(xù)的設(shè)計方法，利用連續(xù)的橋面來強化橫向和縱向的聯(lián)系。

4.4 加強對橋梁疲勞損傷的檢查

公路橋梁的運營環(huán)境較為苛刻，易受到行車荷載、自然降雨、河水沖刷等因素的影響，且隨時間的延長而出現(xiàn)受侵蝕的情況。另外，由于公路橋梁疲勞損傷的發(fā)生是一個持續(xù)性的過程，同時初期其影響相對微弱且不便于觀察，因此該現(xiàn)象很容易逐步影響到周邊結(jié)構(gòu)。不僅如此，若在后期維護(hù)過程中才發(fā)現(xiàn)問題，此時的疲勞損傷將直接對全橋的使用狀況帶來影響，若缺乏及時的處理措施，則極易發(fā)生結(jié)構(gòu)脆性斷裂等問題，造成不可估量的損失。為有效規(guī)避橋梁疲勞損傷，必須在橋梁運營階段做好定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題，同時對該現(xiàn)象要給予高度的重視，分析成因并正確處理，從而將不良影響范圍降到最小，以進(jìn)一步保證橋梁具有足夠的安全性和耐久性。

4.5 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器的應(yīng)用對于降低地震所產(chǎn)生的震動影響有著非常重要的作用，目前很多的建筑設(shè)計人員都在全面地應(yīng)用該技術(shù)來提升抗震性能，以滿足人們對于橋梁穩(wěn)定性的需要。在具體應(yīng)用中，粘滯阻尼器所具備較多的優(yōu)點，首先屈服力與摩擦力是常用值，在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形情況時，就能夠?qū)⒍邤?shù)值同步，進(jìn)而可以避免出現(xiàn)變形而影響橋梁結(jié)構(gòu)的性能，但是在具體應(yīng)用中，如果阻尼器的參數(shù)為1時，就會導(dǎo)致橋墩出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，而當(dāng)阻尼器變?yōu)?時，阻尼器的阻尼力是最大的，橋墩也就不會出現(xiàn)較大的變形。由此可見，選擇合適的粘滯阻尼器能夠全面提升橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。根據(jù)目前的橋梁結(jié)構(gòu)形式，阻尼器通常都是布置在塔梁的中間結(jié)構(gòu)位置上。

4.6 橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件抗震設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計具有一定的復(fù)雜性和技術(shù)性，需要根據(jù)橋梁不同部分進(jìn)行針對性的抗震設(shè)計，以此來提高抗震設(shè)計的有效性。以橋梁上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計為例，就需要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、跨徑大小進(jìn)行設(shè)計，如橋梁跨徑較大，則需要在設(shè)計方面選擇整體性較好的截面，以此來提高橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗震性能。如要進(jìn)一步增加橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗震能力，可以增加上部結(jié)構(gòu)的整體性，以此來限制上部結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震時的位移。如橋梁建設(shè)過程中采取的為多跨簡支梁，則需要在抗震設(shè)計中增強梁與梁之間的縱橫關(guān)系，保證橋面的連續(xù)性。就橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計為例，則需要選擇土質(zhì)偏硬、穩(wěn)定的區(qū)域作為橋梁地基，為保證下部橋臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以選擇U型結(jié)構(gòu)或T型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在具體施工中則可以使用重力式橋臺進(jìn)行施工。連接件是橋梁結(jié)構(gòu)中尤為重要的組成部分，在抗震設(shè)計過程中，需要重視對連接件，如伸縮縫、支座的抗震設(shè)計，如盡可能減少伸縮縫數(shù)量，提高伸縮縫變形能力，在橋墩上布置彈性支座等，以此來提高橋梁的抗震性能。

5 結(jié)束語

總而言之，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，我國公路橋梁的運行負(fù)擔(dān)正在日益加重。在這樣的背景下，需要公路橋梁工程建設(shè)具有更高的質(zhì)量保證。公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中選擇使用隔震設(shè)計方案可以全面提升橋梁的抗震性能，從而實現(xiàn)安全性與穩(wěn)定性的提升，從上文中可以看出，選擇不通過結(jié)構(gòu)形式的支座所產(chǎn)生的效果也是不同的，在具體的設(shè)計過程中，要結(jié)合工程的實際情況來選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，從而可以保證公路橋梁具備較強的抗震性能，滿足人們的使用需要。

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