橋梁抗震設(shè)計(jì)有關(guān)問題分析

李克軍

摘要 本文介紹了橋梁的震害及特征,闡述了公路橋梁抗震設(shè)防原則及分類,提出了具體的橋梁抗震設(shè)計(jì)思路,同時(shí),根據(jù)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例,也對橋梁抗震設(shè)計(jì)的方法做了具體闡述。

關(guān)鍵詞 抗震設(shè)計(jì);震害;構(gòu)造設(shè)計(jì)

中圖分類號 U442.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708(2009)08-0035-02

0 引言

我國地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間,屬多震國家,在抗震救災(zāi)中,公路交通是搶救人民生命、恢復(fù)生產(chǎn)的生命線。為保障公路橋梁設(shè)施的完好,發(fā)揮其在抗震救災(zāi)中的作用,需對公路橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的抗震計(jì)算和研究。結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)是橋梁設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié),涵蓋內(nèi)容豐富,若能把地震力效應(yīng)的受力計(jì)算以及概念設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用到橋梁設(shè)計(jì)上,往往會得到事半功倍的效果。

1 橋梁的震害及特征

對國內(nèi)外震害的調(diào)查表明,在過去的地震中,有許多橋梁遭受了不同程度的破壞,其主要震害有以下幾點(diǎn):

1)橋臺震害。橋臺的震害主要表現(xiàn)為橋臺與路基一起向河心滑移,導(dǎo)致樁柱式橋臺的樁柱傾斜、折斷和開裂。重力式橋臺胸墻開裂,臺體移動、下沉和轉(zhuǎn)動。

2)橋墩震害。橋墩震害主要表現(xiàn)為橋墩沉降、傾斜、移位,墩身開裂、剪斷,受壓緣混凝土崩潰,鋼筋裸露屈曲,橋墩與基礎(chǔ)連接處開裂、折斷等。

3)支座震害。造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動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)力傳遞形式的變化,進(jìn)而對結(jié)構(gòu)的其它部位產(chǎn)生不利的影響。

4)梁的震害。橋梁最嚴(yán)重的震害現(xiàn)象是主梁墜落。落梁主要是由于橋臺、橋墩傾斜或倒塌,支座破壞,梁體碰撞,相鄰橋墩間發(fā)生過大相對位移等引起的。

5)地基與基礎(chǔ)震害。地基與基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是導(dǎo)致橋梁倒塌,并在震后難以修復(fù)使用的重要原因。地基破壞主要是指因砂土液化,不均勻沉降及穩(wěn)定性不夠等因數(shù)導(dǎo)致的地層水平滑移、下沉、斷裂。

6)另外橋梁結(jié)構(gòu)的震害還表現(xiàn)在:結(jié)構(gòu)構(gòu)造及連接不當(dāng)所造成的破壞,橋臺臺后填土位移過大造成的橋臺沉降,或斜度過大造成墩臺承受過大的扭矩引起的破壞。

2 橋梁的抗震設(shè)計(jì)

橋梁的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)分兩階段進(jìn)行:1)在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì),選擇一個(gè)較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系;2)在初步或技術(shù)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì),并根據(jù)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行抗震能力驗(yàn)算,必要時(shí)進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2.1 抗震概念設(shè)計(jì)

由于地震發(fā)生的不確定性和復(fù)雜性,再加上結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的假定與實(shí)際情況的差異,使“計(jì)算設(shè)計(jì)” 很難控制結(jié)構(gòu)的抗震性能,因而不能完全依賴計(jì)算。結(jié)構(gòu)抗震性能的決定因素是良好的“概念設(shè)計(jì)”。因此,在橋梁的方案設(shè)計(jì)階段,不能僅僅根據(jù)功能要求和靜力分析就決定方案的取舍,還應(yīng)考慮橋梁的抗震性能,盡可能選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系。在抗震概念設(shè)計(jì)時(shí),要特別重視上、下部結(jié)構(gòu)連接部位的設(shè)計(jì),橋墩形式的選取,過渡孔處連接部位的設(shè)計(jì)以及塑性鉸預(yù)期部位的選擇。

為了保證所選擇的結(jié)構(gòu)體系在橋址處的場地條件下確實(shí)是良好的抗震體系,必須進(jìn)行簡單的分析(動力特性分析和地震反應(yīng)評估),然后結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位,并進(jìn)一步分析是否能通過配筋或構(gòu)造設(shè)計(jì),保證這些部位的抗震安全性。最后,根據(jù)分析結(jié)果綜合評判結(jié)構(gòu)體系抗震性能的優(yōu)劣,決定是否要修改設(shè)計(jì)方案。

2.2 常用的抗震設(shè)計(jì)方法

實(shí)用的抗震方法是增加結(jié)構(gòu)的柔性以延長結(jié)構(gòu)的自振周期,達(dá)到減小由于地震所產(chǎn)生的地震荷載和增加結(jié)構(gòu)的阻尼或能量耗散能力以減小由于地震所引起的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。當(dāng)前,比較容易實(shí)現(xiàn)和有效的抗震方法主要有以下幾點(diǎn):

1)采用隔震支座。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)在梁體與墩、臺的連接處增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼以減小橋梁的地震反應(yīng)。大量的試驗(yàn)和理論分析都表明,采用減、隔震支座橋梁結(jié)構(gòu)的梁體通過支座與墩、臺相聯(lián)結(jié)的方式對橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有很大的影響,在梁體與墩、臺的聯(lián)結(jié)處安裝減、隔震支座能有效地減小墩、臺所受的水平地震力。

2)采用隔震支座和阻尼器相結(jié)合的系統(tǒng)。利用橋墩在地震作用下發(fā)生彈塑性變形耗散地震能量以達(dá)到減震的目的,利用橋墩的延性抗震。近20年來,國外在橋梁減、隔震和延性抗震方面進(jìn)行了許多研究,美國、新西蘭和日本等在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中都列入了相應(yīng)的條款。

3)利用橋墩延性減震。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,橋墩延性減震是將橋墩某些部位設(shè)計(jì)得具有足夠的延性,以便在強(qiáng)震作用下使這些部位形成穩(wěn)定的延性、塑性鉸,產(chǎn)生彈塑性變形來延長結(jié)構(gòu)周期,從而耗散地震能量。在進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)時(shí),按彈性反應(yīng)譜計(jì)算塑性反應(yīng)的地震荷載需要修正,橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用了綜合影響系數(shù)來反映塑性變形的影響。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

舟山大陸連島工程主線橋左幅46~48 號墩,上部結(jié)構(gòu)為3~25m組合式小箱梁,先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu),每幅8片箱梁,梁高1.4m。每片箱梁下設(shè)2個(gè)支座,45、48號墩臺設(shè)滑板支座,46、47號墩設(shè)板式橡膠支座。

下部結(jié)構(gòu):墩柱為1.4×1.4m的方柱,基礎(chǔ)為灌注樁基礎(chǔ),樁徑為1.5m,柱高及樁長見下表。

柱高及樁長數(shù)量表

橋面為四車道,設(shè)計(jì)汽車荷載為公路-I級。

橋面鋪裝:10cm砼+8cm瀝青砼。

3.2 計(jì)算資料

3.2.1 支座的抗推剛度

每個(gè)梁端有兩個(gè)支座,橫向一排有16個(gè)支座,故支座剛度為板式橡膠支座:Kr=nAG/t=(16×100000×1.2)/50=37892KN/m,其中支座面積為A=π×(350/2)×(350/2)= 100000mm2

橡膠支座彈性剪切彈性模量G=1.2MPa,支座橡膠層總厚度t=65×0.75=50mm

3.1.2 二期恒載

橋面鋪裝:(0.1×22.5×25+0.08×22.5×23)=98KN/m

護(hù)欄:8×2=16KN/m

二期恒載:98+16=114 KN/m

3.1.3 抗震反映譜分析

結(jié)構(gòu)分析采用Midas分析程序,動力特性采用離散結(jié)構(gòu)的有限元分析方法,主梁、蓋梁、橋墩和樁基礎(chǔ)均離散為空間梁單元。對于邊界條件的模擬,根據(jù)靜力剛度等效的原則,采取將樁基礎(chǔ)在地表以下一定深度固結(jié)處理,主梁與各橋墩間的約束條件根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算的支座剛度采用一般彈性連結(jié)。

采用邁達(dá)斯程序建模,采用反應(yīng)譜程序分析方法,如下:

3x25m連續(xù)梁動力特性

3.1.4 反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果

樁基最不利截面的地震

此為樁基配28根直徑28mm鋼筋的計(jì)算結(jié)果,結(jié)果滿足要求。

My為對應(yīng)截面首根鋼筋屈服是對應(yīng)的彎距;

Mne為對應(yīng)截面受壓區(qū)砼壓應(yīng)變達(dá)到0.003時(shí)對應(yīng)的彎距;

My、Mne的計(jì)算方法同Ⅰ類樁基。

4 結(jié)論

目前,地震雖然是不可控制的,但只要我們加強(qiáng)對橋梁震害及抗震機(jī)理的深入研究,在橋梁設(shè)計(jì)過程中認(rèn)真分析地震時(shí)結(jié)構(gòu)的特性和反應(yīng),精心采取一系列科學(xué)有效的抗震設(shè)計(jì),制定先進(jìn)的抗震設(shè)防原則,嚴(yán)格控制工程質(zhì)量,就一定能將地震損失降到最小,并確保交通運(yùn)輸線路的暢通無阻。

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