現(xiàn)時期公路橋梁設(shè)計及其抗震優(yōu)化研究

魏曉強(qiáng)，吳登科

（1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，西安710075；2.中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院有限公司，西安710077）

1 引言

我國土木工程建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，不同建設(shè)條件下橋梁的結(jié)構(gòu)有很大的差異。不重視橋梁的抗震設(shè)計，容易導(dǎo)致橋梁在地震災(zāi)害中喪失使用功能。橋梁在地震中發(fā)生的震害是毀滅性的，為了降低橋梁震害對人類生活的影響，設(shè)計中常采取兩種方法進(jìn)行抗震[1-3]。第一，用新型抗震材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土材料，降低了震害對橋梁的影響。第二，通過完善設(shè)計規(guī)范，提高橋梁的抗震設(shè)防烈度，提高支座在整個地震作用中的影響。本文將針對以上兩種方法，展開公路橋梁的設(shè)計及其抗震優(yōu)化研究[4-5]。

2 公路橋梁抗震設(shè)計的相關(guān)理論

2.1 抗震設(shè)計的概念

抗震設(shè)計，又叫減隔震設(shè)計，由減震設(shè)計和隔震設(shè)計兩部分組成。與減震設(shè)計不同，隔震設(shè)計在設(shè)計過程中應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的振動周期數(shù)值。當(dāng)公路橋梁遭遇地震時，橋梁結(jié)構(gòu)上設(shè)置的隔震設(shè)施可以對地震波所帶來沖擊起到一定程度的延緩作用，使橋梁結(jié)構(gòu)所承受的能量減少，從而對橋梁起到保護(hù)作用。在實(shí)際應(yīng)用過程中，減隔震設(shè)計中關(guān)鍵設(shè)備的阻尼裝置和耗能構(gòu)件起到了決定性作用。

2.2 抗震設(shè)計的原理

2.2.1 結(jié)構(gòu)控制

在對公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，常采用的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)有混合控制技術(shù)、被動控制技術(shù)及主動控制技術(shù)3 種。設(shè)計中最常采用的為被動控制技術(shù)。這一技術(shù)的原理是設(shè)計人員通過數(shù)值計算實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的最優(yōu)布置，最大限度地降低地震對橋梁所帶來的影響。經(jīng)實(shí)踐可知，在抗震設(shè)計過程中采用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)可以提高公路橋梁的抗震性能。

2.2.2 延性設(shè)計

現(xiàn)今，對公路橋梁建設(shè)過程的考核標(biāo)準(zhǔn)更加多樣化，不僅要確保結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度和高度，還要充分考慮到制作過程當(dāng)中材料的可重復(fù)使用性以及經(jīng)濟(jì)適用性。公路橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及延展性的提升，對抗震設(shè)計起著決定性的作用。公路橋梁結(jié)構(gòu)振動是地震對橋梁破壞的主要方面，基于此，在抗震設(shè)計中必須盡可能將地基傳入結(jié)構(gòu)的震動能量降低。公路橋梁的延性設(shè)計目的在于以塑性變形來抵抗地震作用，雖然整體的變形變大，但地震作用傳入橋梁內(nèi)部的內(nèi)力減少，降低了公路橋梁建設(shè)在受到地震等自然災(zāi)害的破壞，能夠得以再次使用，減少經(jīng)濟(jì)損耗。

3 公路橋梁抗震設(shè)計要點(diǎn)

3.1 合理選擇橋梁施工場地

在橋梁抗震設(shè)計中應(yīng)注意對施工場地的合理選擇，這是保證橋梁抗震效果的前提。通常而言，在選擇施工場地時，要盡可能選擇較為堅(jiān)硬的地基，能夠?yàn)闃蛄禾峁┢椒€(wěn)的平臺，在遇到地震情況時不會出現(xiàn)嚴(yán)重垮塌，必須盡量保證地基的穩(wěn)定性。以基巖、碎石和硬黏土等為主的地基類型是較為堅(jiān)硬的地基，能為橋梁提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)，可作為施工場地的首選。如果所設(shè)計橋梁的地區(qū)位置是軟弱地基時，應(yīng)在允許范圍內(nèi)對地基進(jìn)行強(qiáng)化加固，重點(diǎn)在于要防止地基受震動因素影響而出現(xiàn)變形，以此確保地基地穩(wěn)定，進(jìn)而保證橋梁的抗震性能。

3.2 避免落梁問題的發(fā)生

在公路橋梁抗震設(shè)計過程中，需盡可能避免橋梁落梁。地震發(fā)生時，地震波所帶來的能量隨著橋梁內(nèi)部進(jìn)行傳播，從而使橋梁發(fā)生位移、垮塌等不良情況，對橋梁上部的車輛行駛和行人安全帶來不利影響。因此，需采用有效措施提高橋梁不同結(jié)構(gòu)連接位置的穩(wěn)定性，增加橋梁震動的彈性，并且在一定范圍內(nèi)允許橋梁發(fā)生位移而避免落梁。此外，當(dāng)橋梁的主梁與墩臺縫隙加大時，也容易導(dǎo)致落梁問題的出現(xiàn)，對此可以對橋梁中未連續(xù)的位置進(jìn)行加固，強(qiáng)化其間的聯(lián)系，而達(dá)到防止橋落地目的。

3.3 加強(qiáng)墩柱設(shè)計控制

在公路橋梁的建設(shè)中，墩柱結(jié)構(gòu)是重要組成部分。墩柱結(jié)構(gòu)一方面可以對橋梁上部結(jié)構(gòu)起到支撐作用，另一方面也發(fā)揮著一定的抗震作用。對墩柱加強(qiáng)設(shè)計控制其核心在于對墩柱質(zhì)量的控制，可以采取以下措施：第一，將墩柱自身的強(qiáng)度與地震時所稱承受的強(qiáng)度進(jìn)行比較，從而對墩柱進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，確保具備足夠的承載力；第二，為保證墩柱質(zhì)量，應(yīng)重視墩柱配筋，合理選擇配筋型號，保證配筋所提供的抗彎承載力足夠，提高墩柱自身的穩(wěn)定性，在地震中發(fā)揮其抗震作用。

3.4 合理設(shè)置支座

在抗震設(shè)計的具體操作過程中，還需關(guān)注公路橋梁支座的類型及布置方式。根據(jù)公路橋梁所在區(qū)域的地震動加速度值，選擇具有減震性能的橡膠支座。值得重視的是，在公路橋梁的設(shè)計過程中，不要局限于一種類型的固定支座，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同采用活動支座，并且根據(jù)力學(xué)知識可以計算得到各支座的受力情況，從而可以使各支座在抗震過程可以充分發(fā)揮自身性能。與此同時，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)抗剪能力的大小對箍筋進(jìn)行科學(xué)布置，計算不同箍筋的布置間距，充分考慮好細(xì)部構(gòu)造，從而在滿足抗震規(guī)范的前提下，最大化地提升公路橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4 公路橋梁抗震設(shè)計中應(yīng)注意的要點(diǎn)

公路橋梁地基設(shè)計中，以土的抗剪強(qiáng)度來判斷地基對地震作用的抵抗效果。地震作用下，土體產(chǎn)生松動，土中孔隙變大，土顆粒之間的作用力變?nèi)酰辜魪?qiáng)度變低，此時橋梁結(jié)構(gòu)失去了地基的有效支撐，造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。再加之余震的作用，橋梁結(jié)構(gòu)會徹底失去穩(wěn)定性而倒塌。土體在一次荷載作用下和多次荷載作用下所呈現(xiàn)的抗剪強(qiáng)度不同。

抗震設(shè)計時應(yīng)考慮公路橋梁可能發(fā)生的破壞形式，根據(jù)破壞結(jié)果來加強(qiáng)橋梁的特定部位。例如，我國大多數(shù)小跨徑橋梁采用簡支梁形式，如圖1 所示，在地震作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)通過制作相連接，地震作用下，支座發(fā)生滑移破壞，橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的傳力系統(tǒng)被破壞，傳入下部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力大大減少，在這種情況下應(yīng)重點(diǎn)考慮如何防止橋梁落架。基于此，小跨徑的公路橋梁在抗震設(shè)計時要以上部結(jié)構(gòu)與支座的摩擦來消除地震作用。

圖1 簡支梁橋簡化示意圖

5 橋梁抗震優(yōu)化措施

5.1 橋梁上部架構(gòu)抗震設(shè)計優(yōu)化

在地震災(zāi)害中，由于落梁引起的地震災(zāi)害較為普遍。根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，為了提高橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗震性能，大多采用限制橋梁上部架構(gòu)位移，提升橋梁整體性的措施。橋梁架構(gòu)常用的抗震措施有：將鋼板與橋梁底部焊接，或采用多種裝置的措施；上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接多采用強(qiáng)度較高的錨固連接；梁端至墩臺帽的距離需滿足規(guī)范所要求的位移。

5.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計優(yōu)化

減隔震體系的主要作用是消散地震的能量。支座連接上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，可通過支座的變形來消除地震影響，下部結(jié)構(gòu)可采用彈性理論來設(shè)計結(jié)構(gòu)。經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，采用不同的理念來設(shè)計結(jié)構(gòu)是最為經(jīng)濟(jì)合理的，不同地區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦巍⒌刭|(zhì)情況來確定。表1 是墩柱在不同條件下所采取的設(shè)計理念。

表1 墩柱在不同地區(qū)的建議設(shè)計理念

5.3 引進(jìn)新型橋梁的抗震設(shè)計方法

在傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法中，為有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，通常采取增大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)延性的方法。但上述措施往往具有一定的缺陷，由于地震對橋梁的影響程度和橋梁自身抵抗地震的性能是不確定的，這樣會導(dǎo)致橋梁喪失了部分使用功能。因此，需要采用新型的抗震設(shè)計方法對原先的設(shè)計方法進(jìn)行優(yōu)化。目前，由于型鋼混凝土具有較好的承載性能，抗剪強(qiáng)度高以及延性較好的特點(diǎn)，因此在設(shè)計階段，已經(jīng)提出了采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計措施。

6 結(jié)語

本文以公路橋梁為研究對象，結(jié)合現(xiàn)有的規(guī)范和設(shè)計理念對公路橋梁的抗震設(shè)計和優(yōu)化措施進(jìn)行探討，主要結(jié)論如下：抗震設(shè)計中采用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)可以提高公路橋梁的抗震性能；延性設(shè)計目的在于以塑性變形來抵抗地震作用，整體的變形變大，但地震作用傳入橋梁內(nèi)部的內(nèi)力減小，降低了公路橋梁建設(shè)在受到地震等自然災(zāi)害的破壞；橋梁的主梁與墩臺縫隙加大時，容易產(chǎn)生落梁問題；為提高橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少橋梁震害，可通過引進(jìn)新型橋梁抗震設(shè)計方法，吸取抗震設(shè)計的成功經(jīng)驗(yàn)。