橋梁抗震的構(gòu)造措施

羅志堅(jiān) 李木榮

摘要:本文分析了橋梁的震害原因,闡述了橋梁抗震設(shè)計(jì)及措施。

關(guān)鍵詞:抗震設(shè)計(jì);地基;液化;墩臺(tái)

1 橋梁的震害原因

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋梁震害的調(diào)查研究結(jié)果表明,現(xiàn)在橋梁的破壞大多沿順橋向和橫橋向發(fā)生,而順橋向震害尤其嚴(yán)重,分析其破壞原因主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)地震位移造成的粱式橋梁上部活動(dòng)節(jié)點(diǎn)處因蓋梁寬度設(shè)置不足導(dǎo)致落梁或粱體相互磁撞引起的破壞,而對(duì)拱式結(jié)構(gòu)則主要表現(xiàn)在拱上建筑和腹拱的破壞,拱圈在拱頂、拱腳產(chǎn)生的破損裂縫,甚至整個(gè)隆起變形。

(2)由于地基土(如飽和粉細(xì)紗和飽和粘沙土)的地震液化影響同樣加大了地震位移的影響,進(jìn)而放大了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng),使落梁的可能性增大。當(dāng)采用排架樁基礎(chǔ)時(shí),則使樁基的承載力降低,從而造成與地震反應(yīng)無(wú)關(guān)的過(guò)大的豎向和橫向位移,而簡(jiǎn)支粱橋?qū)Υ擞葹槊黠@。另外,由于地基軟弱,地震時(shí)當(dāng)部分地基液化失效后引起了結(jié)構(gòu)物的整體傾斜,下沉等嚴(yán)重變形,進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的破壞,震害較重。

(3)支座破壞,在地震力的作用下,由于支座設(shè)計(jì)沒(méi)有充分考慮抗震要求。構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足,或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素,導(dǎo)致了支座發(fā)生過(guò)大的位移和變形,從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動(dòng)支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞等,并由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力的傳遞形式的變化,進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的其他部位產(chǎn)生不利的影響。

(4)軟弱的下部結(jié)構(gòu)破壞。即由于橋梁下部結(jié)構(gòu)不足以抵抗其自身的慣性力和支座傳遞的主梁的地震力,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下部的開(kāi)裂、變形和失效,甚至傾覆,并由此引起全橋的嚴(yán)重破壞。

(5)在松軟地基上的橋梁,特別是特大橋、大中橋,地震時(shí)往往發(fā)生河岸滑移使橋臺(tái)向河心移動(dòng),導(dǎo)致全橋長(zhǎng)度的縮短,這類震害是比較嚴(yán)重的。

(6)另外橋粱結(jié)構(gòu)的震害還表現(xiàn)在如結(jié)構(gòu)構(gòu)造及連接不當(dāng)造成的破壞、橋臺(tái)臺(tái)后填土位移過(guò)大造成橋臺(tái)沉降或斜度過(guò)大造成橋墩臺(tái)承受過(guò)大的扭矩而引起的破壞等多種原因。

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)及措施

根據(jù)橋梁震害的分析知道,地震對(duì)橋梁的破壞作用,不僅與橋梁的結(jié)構(gòu)本身有關(guān),還與所處的場(chǎng)地、地基及地形地貌等有關(guān)?？拐鹪O(shè)計(jì)中除了進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算外,橋位選擇、橋型選擇、結(jié)構(gòu)體系布置、結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)同樣重要。

2.1 總體設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

2.1.1 橋位選擇

選擇橋址時(shí),應(yīng)避開(kāi)地震時(shí)可能發(fā)生地基失效的松軟場(chǎng)地,選擇堅(jiān)硬場(chǎng)地?；鶐r、堅(jiān)實(shí)的碎石類地基、硬粘土地基是理想的橋址場(chǎng)地;飽和松散粉細(xì)砂、人工填土和極軟的粘土地基或不穩(wěn)定的坡地都是危險(xiǎn)地區(qū)。拱橋應(yīng)盡量避免跨越斷層,特殊困難情況下應(yīng)進(jìn)行地震安全性評(píng)價(jià)。

2.1.2 橋型選擇

橋梁應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)條件、工程規(guī)模及震害經(jīng)驗(yàn),選擇合理的橋型及墩臺(tái)、基礎(chǔ)型式。宜盡可能采用技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、便于修復(fù)加固的結(jié)構(gòu)體系。可以考慮采用減震的新結(jié)構(gòu),比如型鋼混凝土結(jié)構(gòu)等。

2.1.3 橋孔布置

橋孔宜選用有利于抗震的等跨布置,并盡量避免高墩與大跨的結(jié)合。宜體形簡(jiǎn)單、自重輕、剛度和質(zhì)量分布均勻、重心低、便于施工。位于地震后可能形成泥石流溝谷上的橋梁,孔跨和橋下凈高宜根據(jù)流域內(nèi)的地形、地質(zhì)情況酌情加大。

2.2 橋梁抗震構(gòu)造措施

2.2.1 基礎(chǔ)抗震措施

應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛度,同時(shí)采取減輕上部荷載等相應(yīng)措施,以防止地震引起動(dòng)態(tài)和永久的不均勻變形。在可能發(fā)生地震液化的地基上建橋時(shí),應(yīng)采用深基礎(chǔ),使樁或沉井穿過(guò)可能液化的土層埋人較穩(wěn)定密實(shí)的土層內(nèi)一定深度。并在樁的上部,離地面1～3m的范圍內(nèi)加強(qiáng)鋼筋布設(shè)。

2.2.2 橋臺(tái)抗震措施

橋臺(tái)胸墻應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng),并增加配筋,在梁與梁之間和梁與橋臺(tái)胸墻之間應(yīng)設(shè)置彈性墊塊,以緩和地震的沖擊力。采用淺基的小橋和通道應(yīng)加強(qiáng)下部的支撐梁板或做滿河床鋪砌,使結(jié)構(gòu)盡量保持四鉸框架的結(jié)構(gòu),以防止墩臺(tái)在地震時(shí)滑移。

當(dāng)橋位難以避免液化土或軟土地基時(shí),應(yīng)使橋梁中線與河流正交,并適當(dāng)增加橋長(zhǎng),使橋臺(tái)位于穩(wěn)定的河岸上。橋臺(tái)高度宜控制在8m以內(nèi);當(dāng)臺(tái)位處的路堤高度大于8m時(shí),橋臺(tái)應(yīng)選擇在地形平坦、橫坡較緩、離主溝槽較遠(yuǎn)且地質(zhì)條件相對(duì)較好的地段通過(guò),并盡量降低高度,將臺(tái)身埋置在路堤填方內(nèi),臺(tái)周路堤邊坡腳設(shè)置漿砌片石或混凝土擋墻進(jìn)行防護(hù),橋臺(tái)基礎(chǔ)酌留富余量。

如果地基條件允許,應(yīng)盡量采用整體性強(qiáng)的T形、U形或箱形橋臺(tái),對(duì)于樁柱式橋臺(tái),宜采用埋置式。對(duì)柱式橋臺(tái)和肋板式橋臺(tái),宜先填土壓實(shí),再鉆孔或開(kāi)挖,以保證填土的密實(shí)度。為防止砂土在地震時(shí)液化,臺(tái)背宜用非透水性填料,并逐層夯實(shí),要注意防水和排水措施。

2.2.3 橋墩抗震措施

利用橋墩的延性減震是當(dāng)前橋梁抗震設(shè)計(jì)中常用的方法。高墩宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),宜采用空心截面?？蛇m當(dāng)加大樁、柱直徑或采用雙排的柱式墩和排架樁墩,樁、柱間設(shè)置橫系梁等,提高其抗彎延性和抗剪強(qiáng)度。

在橋墩塑性鉸區(qū)域及緊接承臺(tái)下樁基的適當(dāng)范圍內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)箍筋配置,墩柱的箍筋間距對(duì)延性影響很大,間距越小延性越大。

橋墩的高度相差過(guò)大時(shí)矮墩將因剛度大而最先破壞。可將矮墩放置在鋼套筒里來(lái)調(diào)整墩柱的剛度和強(qiáng)度,套筒下端的標(biāo)高同其他橋墩的地面標(biāo)高。

2.2.4 支撐連接構(gòu)件抗震措施

墩臺(tái)頂帽上均應(yīng)設(shè)置防止落梁措施,加縱、橫向擋塊以限制支座的位移和滑動(dòng)。橡膠支座具有一定的消能作用,對(duì)抗震有利。在不利墩上還應(yīng)采用減隔震支座(聚四氟乙烯支座、疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座等)及塑性鉸等消能防震裝置等。

選用伸縮縫時(shí),應(yīng)使其變形能力滿足預(yù)計(jì)地震產(chǎn)生的位移,并使伸縮縫支承面有足夠的寬度,同時(shí)設(shè)置限位器與剪力鍵。

2.2.5 上部結(jié)構(gòu)抗震措施

落梁震害極為常見(jiàn)。實(shí)踐證明,加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的整體性,限制其位移,是提高橋梁上部結(jié)構(gòu)抗震能力的有效措施。預(yù)防措施有:

(1)通常在梁(板)底部加焊鋼板,或采用縱、橫向約束裝置限制梁的位移,如拉桿、鋼筋砼擋塊、錨桿等,梁與墩帽用錨栓連接,T梁在端橫隔板之間螺栓連接,曲梁橋,應(yīng)采用上、下部之間用錨栓連接的方式。橋梁的支座錨栓、銷釘、剪力鍵等應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。

(2)梁端至墩臺(tái)帽或蓋梁邊緣的距離,以及掛梁與懸臂的搭接長(zhǎng)度必須滿足地震時(shí)位移的要求。

(3)橋梁跨徑較大時(shí),可用連續(xù)梁替代簡(jiǎn)支梁以減少伸縮縫,宜采用箱型截面。

(4)當(dāng)采用多跨簡(jiǎn)支梁時(shí),應(yīng)加強(qiáng)梁(板)之間的縱、橫向聯(lián)系,將橋面做成連續(xù),或采用先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)的構(gòu)造措施。

(5)采用真空壓漿方法,保證預(yù)應(yīng)力管道水泥漿飽滿,提高預(yù)應(yīng)力橋梁的強(qiáng)度和剛度。

2.2.6 結(jié)點(diǎn)抗震措施

橋梁結(jié)點(diǎn)區(qū)域一旦受損將難以修復(fù)。城市高架橋墩柱的結(jié)點(diǎn)、橋墩與蓋梁的結(jié)點(diǎn)、橋墩與基礎(chǔ)的結(jié)點(diǎn)等,是保證橋梁整體工作的重要構(gòu)件。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中,除了保證墩、梁有足夠的承載力和延性外,還要保證橋梁結(jié)點(diǎn)有足夠的承載力,避免結(jié)點(diǎn)過(guò)早破壞,即“強(qiáng)節(jié)點(diǎn),弱構(gòu)件”。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)高速公路還處于建設(shè)的高峰期,還有很多高速公路橋梁需要建設(shè)。作為設(shè)計(jì)工作者,需要不斷完善自己的設(shè)計(jì)作品,更好地服務(wù)于公路建設(shè),大家共同總結(jié)經(jīng)驗(yàn),采取有效的措施來(lái)進(jìn)一步提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力,進(jìn)而提高耐久性。