橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與設(shè)防措施研究

曾輝

（中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司，北京 100018）

1 引言

城市化發(fā)展過程中，橋梁成為社會交通體系中的關(guān)鍵組成部分。但在橋梁運營過程中，常見的地質(zhì)災(zāi)害會直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，繼而誘發(fā)橋臺滑移、橋墩開裂等安全問題，使橋梁使用期間的安全風(fēng)險增加。為此，相關(guān)人員應(yīng)優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，并通過采取科學(xué)、有效的設(shè)防措施增強(qiáng)橋梁工程的抗震性能，完善其安全性能。

2 項目概述

某公路橋梁工程，路線范圍內(nèi)設(shè)有大橋1座，主橋跨徑為60 m+30 m+60 m的箱梁，主橋全長150 m，線路內(nèi)橋梁總長為350 m。該橋梁項目的抗震設(shè)防烈度為7度，震動加速度峰值為0.05g，抗震設(shè)防分類為丁類，場地類型為Ⅲ類。為使該橋梁工程的整體結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗震性能，設(shè)計方應(yīng)結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)常見的震害類型優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，制定可靠的設(shè)防措施。

3 橋梁結(jié)構(gòu)的震害表現(xiàn)形式

1）橋臺震害。發(fā)生橋臺震害后，橋臺、橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要表現(xiàn)形式是滑移。滑移問題產(chǎn)生后，樁柱式橋臺結(jié)構(gòu)會開裂、折斷，重力式橋臺則會出現(xiàn)下沉、臺體位移。另外，橋臺震害還表現(xiàn)為翼墻受損、有裂縫，橋頭引導(dǎo)下沉、施工縫錯位，與主梁結(jié)構(gòu)相撞后還會直接損壞橋梁結(jié)構(gòu)，使其在受壓后坍毀[1]。

2）樁墩震害。橋墩震害的主要表現(xiàn)為墩臺開裂、結(jié)構(gòu)傾斜、折斷和沉降等，橋墩下部結(jié)構(gòu)中的鋼筋構(gòu)件會呈現(xiàn)出“燈籠”狀，混凝土結(jié)構(gòu)會崩裂。部分橋梁結(jié)構(gòu)的樁墩會呈“八”字形、“倒八”字形傾斜，開裂區(qū)域多集中在樁柱和橫梁、樁頂和蓋梁的連接處。

3）支座震害。支座震害多表現(xiàn)為支座結(jié)構(gòu)上的錨固螺栓被迫拔出、支座斷裂和傾斜。但不同類型的支座的震害表現(xiàn)形式有所差異。比如，固定支座的震害表現(xiàn)為支座壓碎、傾斜，簡易輥軸支座則表現(xiàn)為滾動脫落，活動支座在面臨震害時，其結(jié)構(gòu)會直接被破壞。

4）梁結(jié)構(gòu)震害。梁結(jié)構(gòu)震害中，主梁墜落是較為嚴(yán)重的震害表現(xiàn)形式，落梁的主要原因是橋臺、橋墩因震害而出現(xiàn)倒塌或傾斜情況，以及梁體之間的碰撞、支座結(jié)構(gòu)受損等。橋梁結(jié)構(gòu)中相鄰橋墩位移過大時，同樣會引起落梁。

5）地震位移。橋梁上部結(jié)構(gòu)中活動節(jié)點寬度設(shè)置不當(dāng)時，橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)位移問題，地震位移的主要表現(xiàn)形式是梁體碰撞，對于液化地基，橋梁結(jié)構(gòu)位移后還會引起落梁風(fēng)險，出現(xiàn)橫向、縱向位移情況[2]。

4 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與設(shè)防措施

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法

4.1.1 延性抗震設(shè)計方法

1）按照橋梁結(jié)構(gòu)的類型、基本特點、抗震性能要求，橋梁結(jié)構(gòu)中的部分構(gòu)件可選擇為延性構(gòu)件。

2）選定延性構(gòu)件后，確定橋梁結(jié)構(gòu)中塑性鉸區(qū)的位置，優(yōu)化該區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使該區(qū)域橋梁結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度符合預(yù)期要求。

3）對于需要重點預(yù)防橋梁結(jié)構(gòu)塑性變形的結(jié)構(gòu)，以及抗震設(shè)計中需保護(hù)的構(gòu)件，還應(yīng)使其強(qiáng)度設(shè)計高于塑性鉸區(qū)的強(qiáng)度設(shè)計，從而在強(qiáng)震作用下使橋梁結(jié)構(gòu)保持彈性，避免因結(jié)構(gòu)的脆性而被破壞。相較于根據(jù)強(qiáng)度進(jìn)行抗震設(shè)計的方式，延性抗震設(shè)計方法的優(yōu)勢更為明顯，不同抗震設(shè)計方法的結(jié)構(gòu)抗震性能對比見表1。

表1 不同抗震設(shè)計方法的結(jié)構(gòu)抗震性能對比

4.1.2 位移抗震設(shè)計方法

位移抗震設(shè)計方法是一種新的抗震理念，設(shè)計思路是結(jié)合橋梁抗震設(shè)計目標(biāo)與設(shè)防措施進(jìn)行抗震設(shè)計，具體的設(shè)計方式可分為直接設(shè)計、間接設(shè)計兩種。間接設(shè)計流程是按照傳統(tǒng)的基于橋梁結(jié)構(gòu)承載力的抗震設(shè)計方法初步設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)，然后評估橋梁結(jié)構(gòu)中的變形、損傷參數(shù)，分析橋梁抗震性能，核對橋梁結(jié)構(gòu)極限位移，滿足位移控制目標(biāo)即可。

直接設(shè)計法則是以橋梁結(jié)構(gòu)位移作為基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)，然后根據(jù)不同地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的地震設(shè)防水準(zhǔn)、抗震設(shè)計的目標(biāo)位移計算橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移反應(yīng)譜。同時按照已知設(shè)計參數(shù)設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)，使橋梁結(jié)構(gòu)可以在地震作用下將結(jié)構(gòu)位移控制在一定范圍內(nèi)，降低橋梁結(jié)構(gòu)的震害程度。另外，在整個設(shè)計階段，位移是橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計人員應(yīng)以橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能為前提，靈活調(diào)整位移參數(shù)，完善橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

4.1.3 靜力抗震設(shè)計方法

為提升橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，設(shè)計過程中還應(yīng)采用靜力抗震設(shè)計方法，增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震效果。基于靜力法對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計時，可假設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的震動頻率相同，且橋梁結(jié)構(gòu)上的作用力為地面運動、物質(zhì)質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力。所以，在橋梁抗震設(shè)計時，設(shè)計人員可忽視結(jié)構(gòu)本身的動力性與運動特征，并根據(jù)慣性力評估橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。然后以此為依據(jù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，使地震作用下的橋梁結(jié)構(gòu)不會受損。

4.2 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防措施

4.2.1 做好基礎(chǔ)抗震措施

橋梁抗震設(shè)防是在地震作用下，按照橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，使橋梁預(yù)期功能符合設(shè)計要求的措施，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)防需要遵循橋梁設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。例如，在城鎮(zhèn)交通中占據(jù)重要地位的橋梁屬于甲類橋梁，處于交通樞紐的橋梁為乙類橋梁。對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)防時，可分別按照甲類、乙類橋梁的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)防。

上述公路橋梁工程處于城鎮(zhèn)重要交通樞紐上，屬于乙類橋梁，其抗震設(shè)防的關(guān)鍵在于做好基礎(chǔ)抗震措施。

1）設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)時，設(shè)計人員應(yīng)重視橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度的提升，同時注意減輕橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載，避免因地震作用出現(xiàn)動態(tài)變形問題。對于可能出現(xiàn)震害的區(qū)域，還應(yīng)將橋梁基礎(chǔ)設(shè)計為深基礎(chǔ)，并讓沉井、橋樁穿過地基結(jié)構(gòu)中的土層，以此增強(qiáng)橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

2）抗震設(shè)防時，還應(yīng)加強(qiáng)橋梁建設(shè)中的基礎(chǔ)規(guī)劃，科學(xué)選擇施工場地。若場地內(nèi)的土質(zhì)較為特殊，屬于松軟地層，相關(guān)人員還應(yīng)進(jìn)行地基處理。

3）基礎(chǔ)抗震設(shè)防時，還應(yīng)重視橋梁結(jié)構(gòu)的整體性，以及橋梁上部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，避免出現(xiàn)橋梁構(gòu)件脫落。同時，相關(guān)人員應(yīng)分別從平面設(shè)計、立面設(shè)計等方面優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)布置方案。

4.2.2 科學(xué)布設(shè)橋梁支座

橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，支座設(shè)計與布置方法會直接影響橋梁抗震設(shè)防效果。為提升橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，應(yīng)科學(xué)布設(shè)橋梁支座，合理選擇橋梁支座形式，同時優(yōu)化支座布局。需要注意的是，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)避免選擇相同的支座類型，而是應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)上地震作用的分布情況，計算各個橋梁支座需承擔(dān)的水平、垂直壓力，然后根據(jù)具體的數(shù)值選擇橋梁支座。

4.2.3 優(yōu)化下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）通過在橋臺胸墻結(jié)構(gòu)中增設(shè)配筋、將彈性墊塊設(shè)置在橋臺胸墻和梁結(jié)構(gòu)中間等方式，緩解地震對橋梁結(jié)構(gòu)造成的損害，確保橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的可靠性。若橋址處存在軟土地基、液化地基時，還應(yīng)通過替換不良土層的方式提供橋臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然后結(jié)合實際情況增加橋梁長度、控制橋臺高度，保障橋梁的整體穩(wěn)固性。

通常情況下，橋梁抗震設(shè)防期間，橋臺高度應(yīng)＜8 m，且處于地勢平坦、地質(zhì)條件好、與主溝槽位置遠(yuǎn)的區(qū)域。橋梁基礎(chǔ)條件較好時，橋臺可設(shè)計為U形、箱形橋臺、T形橋臺，這類橋臺的整體性較強(qiáng)，符合橋梁抗震設(shè)計要求。布設(shè)樁柱形橋臺時，應(yīng)采用埋置的處理方式，并通過開挖、鉆孔的方式增加橋臺底部填土密實度，保障橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的整體效果。

2）通過橋墩結(jié)構(gòu)延性設(shè)計，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震處理。例如，設(shè)計橋梁高墩時，將高墩設(shè)計為空心墩，必要時可通過增加橋柱直徑，使用雙排柱式橋墩，設(shè)置橫系梁的方式，使橋梁結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度和抗彎延性。

3）布設(shè)橋梁墩臺頂帽時，應(yīng)采取相應(yīng)的防落梁措施。最不利受力墩應(yīng)采用塑性鉸、減震隔離支座。

4）對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)防時，可在橋梁底部布設(shè)焊接鋼板，或使用約束設(shè)備限制橫向、縱向結(jié)構(gòu)的位移。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)靈活連接橋梁的梁體結(jié)構(gòu)與墩帽，比如，用錨栓連接橋梁上下部結(jié)構(gòu)。為使橋梁上部結(jié)構(gòu)位移符合抗震設(shè)計要求，橋梁梁端、墩臺帽、蓋梁邊緣、掛梁、懸臂搭接長度都應(yīng)考慮到橋梁基本位移分線。對于大跨徑橋梁，設(shè)計人員采用連續(xù)梁，增強(qiáng)橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防能力。

5）針對橋梁節(jié)點結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)防。結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)震害表現(xiàn)可知，橋梁的節(jié)點結(jié)構(gòu)在受到外部作用力后，易產(chǎn)生開裂、折斷、位移等損害，且無法及時修復(fù)，因此，影響橋梁安全性能和穩(wěn)定性。為避免節(jié)點結(jié)構(gòu)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)性能受損，設(shè)計人員應(yīng)在抗震設(shè)防時，不斷增強(qiáng)橋墩、梁、橋梁節(jié)點的承載力和延性，避免節(jié)點處在地震作用產(chǎn)生后第一時間被破壞。

4.2.4 合理設(shè)計橋梁構(gòu)件

1）加強(qiáng)對橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的強(qiáng)度控制是橋梁工程抗震設(shè)防的重要措施。相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計分析橋梁結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件在地震作用下產(chǎn)生的振動能量，結(jié)合其抗震設(shè)防設(shè)計要求，選擇構(gòu)件材質(zhì)。

2）應(yīng)布設(shè)減震裝置，采用符合當(dāng)前設(shè)計狀況的大尺寸網(wǎng)格梁結(jié)構(gòu)，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行防落梁處理。另外，橋梁應(yīng)盡量等跨布置，用構(gòu)造簡單的梁部結(jié)構(gòu)，減輕橋梁結(jié)構(gòu)的自重，以此減少橋梁結(jié)構(gòu)的損傷。

5 結(jié)語

綜上所述，地震屬于常見地質(zhì)災(zāi)害，會在橋梁工程運營期間給通行人員造成不可預(yù)估的損害。在橋梁工程的設(shè)計階段，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合橋梁抗震設(shè)計規(guī)范、抗震等級加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，用可靠的抗震設(shè)計方法，增強(qiáng)橋梁工程抗震性能，使橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、抗震能力、延性符合公路橋梁安全運行需求，為我國公路橋梁建設(shè)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。