橋梁抗震設(shè)計(jì)有關(guān)問題分析

周偉群

（諸暨市交通投資集團(tuán)有限公司，浙江 諸暨 311800）

1 前言

我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，屬多震國(guó)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。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)用到設(shè)計(jì)上，往往會(huì)得到事半功倍的效果。

2 橋梁的震害及特征

對(duì)國(guó)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)。

2.1 橋臺(tái)震害

橋臺(tái)的震害主要表現(xiàn)為橋臺(tái)與路基一起向河心滑移，導(dǎo)致樁柱式橋臺(tái)的樁柱傾斜、折斷和開裂：重力式橋臺(tái)胸墻開裂，臺(tái)體移動(dòng)、下沉和轉(zhuǎn)動(dòng)；橋頭引道沉降，翼墻損壞、開裂，施工縫錯(cuò)工、開裂以及因與主梁相撞而損壞。橋臺(tái)的滑移與傾斜會(huì)進(jìn)一步使主梁受壓破壞，甚至使主梁坍毀。

2.2 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。

2.3 支座震害

在地震力的作用下，由于支座設(shè)計(jì)沒有充分考慮抗震的要求，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。

2.4 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(tái)、橋墩傾斜、倒塌，支座破壞，梁體碰撞，相鄰墩間發(fā)生過大相對(duì)位移等引起的。

2.5 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?；A(chǔ)的破壞與地基的破壞緊密相關(guān)，地基破壞一般都會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)的破壞，主要表現(xiàn)為移位、傾斜、下沉、折斷和屈曲失穩(wěn)。

2.6 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(tái)臺(tái)后填土位移過大造成的橋臺(tái)沉降或斜度過大而造成墩臺(tái)承受過大的扭矩引起的破壞。

3 公路橋梁抗震設(shè)防原則及分類

3.1 設(shè)防原則

橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本思想和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是制定設(shè)計(jì)規(guī)范的重中之重，它決定了抗震設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)、地震動(dòng)水平和結(jié)構(gòu)對(duì)地震反應(yīng)的計(jì)算方法。我國(guó)現(xiàn)行的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004-89)采用的是單一水準(zhǔn)的抗震設(shè)防思想，進(jìn)行了基本烈度(中震)下的抗震指引?；玖叶仁怯芍袊?guó)地震烈度區(qū)劃圖確定的。該規(guī)范7 度、8 度和9 度地區(qū)相應(yīng)的地震最大動(dòng)加速度設(shè)計(jì)值分別取0.1g、0.2g 和0.4g(g=9.8m/s 為重力加速度)

另外，根據(jù)線路等級(jí)和結(jié)構(gòu)重要性以及修復(fù)的難易程度，采用重要性修正系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的地震作用進(jìn)行修正。但公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的重點(diǎn)放在梁式橋墩臺(tái)和一般跨徑的拱橋上，較少詳盡考慮剛架拱橋、連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋、超過 l50m 的梁式橋等。因此，單一的抗震 強(qiáng)度設(shè)防思想在目前我國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中有待完善。

3.2 震級(jí)和烈度

震級(jí)：反映某次地震震源釋放能量的多少。

烈度：表示某一地區(qū)的地面和各類建筑物遭受某一次地震影響的強(qiáng)弱程度，是反映某個(gè)指定場(chǎng)地的地面運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的尺度。烈度以描述震害宏觀現(xiàn)象為主，根據(jù)建筑物的破壞程度、地貌變化特征、地震時(shí)人的感覺、家具器物的反應(yīng)等方面進(jìn)行分級(jí)。由此可見，震級(jí)是定量概念，與某次地震對(duì)應(yīng)；烈度是定性概念，與某次地震非一一對(duì)應(yīng)，但與結(jié)構(gòu)的破壞程度和地震動(dòng)峰值加速度對(duì)應(yīng)。因此，設(shè)防烈度才是抗震設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

4 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。

4.1 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(chǎng)地條件下確實(shí)是良好的抗震體系，必須進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析(動(dòng)力特性分析和地震反應(yīng)評(píng)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(píng)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。

4.2 常用的抗震設(shè)計(jì)方法

增加結(jié)構(gòu)的柔性以延長(zhǎng)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)是實(shí)用的抗震方法。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)。

4.2.1 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(tái)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)；采用減、隔震支座橋梁結(jié)構(gòu)的梁體通過支座與墩、臺(tái)相聯(lián)結(jié)，大量的試驗(yàn)和理論分析都表明其聯(lián)結(jié)方式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有很大的影響，在梁體與墩、臺(tái)的聯(lián)結(jié)處安裝減、隔震支座能有效地減小墩、臺(tái)所受的水平地震力。

4.2.2 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(guó)外在橋梁減、隔震和延性抗震方面進(jìn)行了許多研究，美國(guó)、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。

4.2.3 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(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期、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。

4.3 新型橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)橋梁的抗震設(shè)計(jì)，是從強(qiáng)度和延性等方面來確保橋梁具有足夠的抗震能力，使之在地震作用下不垮。然而由于人們尚難以準(zhǔn)確估計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力和地震作用，因而橋梁結(jié)構(gòu)在地震中嚴(yán)重破壞或倒塌的例子很多。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是在混凝土上包裹型鋼做成的結(jié)構(gòu)。它與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有一系列優(yōu)點(diǎn)。其承載力可以高于同樣外形的鋼筋混凝土構(gòu)件承載力一倍以上，具有較好的抗剪能力，延性比明顯高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，滯回曲線較為飽滿，耗能能力有顯著的提高，從而呈現(xiàn)出良好的抗震性能。能夠隔離、吸收和耗散地震能量，減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，使橋梁的變形限制在彈性范圍，避免由于產(chǎn)生塑性變形而造成累積損傷破壞和永久殘余變形，這大大提高了橋梁結(jié)構(gòu)的安全度；同時(shí)可以節(jié)約材料，降低造價(jià)。型鋼混凝土中的型鋼除采用軋制型鋼外，還廣泛使用焊接型鋼，常用的截面型式有H 型、E 型、T型等，而采用矩形及圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在型鋼混凝上結(jié)構(gòu)、螺旋配筋混凝上結(jié)構(gòu)以及鋼管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

目前地震雖然是不可控制的，但只要我們加強(qiáng)對(duì)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。

[1]范立礎(chǔ),胡世德,葉愛君.大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2001..

[2]聶利英.[D].上海:同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系,2002.