淺談橋梁的抗震設(shè)計(jì)與措施

周香平

(石家莊市張石高速籌建處)

1 地震對(duì)橋梁的破壞作用

地震是自然界中一種突發(fā)性的嚴(yán)重災(zāi)害,具有典型的偶然性和短暫性。地震對(duì)地面構(gòu)筑物的破壞作用,從破壞的性質(zhì)和工程對(duì)策的角度大體可分為場(chǎng)地和地基的破壞作用、場(chǎng)地的震動(dòng)作用。

1.1 場(chǎng)地和地基的破壞作用

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí),首先是場(chǎng)地和地基破壞,從而產(chǎn)生橋梁破損并引起其他災(zāi)害。場(chǎng)地和地基的破壞作用,大致有地面破裂、滑坡和坍塌,地基失效等幾種類型。這種破壞作用,對(duì)位于斜坡地貌及軟弱土質(zhì)地基上的橋梁工程影響較大。

地震發(fā)生后,橋梁的破壞形式一般表現(xiàn)為以下幾種。

(1)橋臺(tái)錐體、墩周鋪?zhàn)o(hù)開裂,甚至滑移。

(2)墩臺(tái)身位移,支座錨栓剪斷,嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生落梁現(xiàn)象。

(3)砂土液化,橋墩下沉。

(4)墩臺(tái)身開裂,嚴(yán)重時(shí)橋梁倒塌。

1.2 場(chǎng)地的震動(dòng)作用

場(chǎng)地的震動(dòng)作用,是指由于強(qiáng)烈的地面運(yùn)動(dòng)引起橋梁的振動(dòng)而產(chǎn)生的破壞作用。強(qiáng)烈的地面震動(dòng)是引起橋梁破壞的最普遍和最主要的原因。同時(shí)也是引發(fā)其他地震破壞如地基失效、滑坡和坍塌等的外部條件。

2008年發(fā)生的“5· 12”汶川大地震所造成道路、橋梁和其他城市基礎(chǔ)設(shè)施的損失巨大,位于震中的汶川縣附近道路基礎(chǔ)設(shè)施受到嚴(yán)重破壞,橋梁震害最為典型和嚴(yán)重,其影響范圍大、波及范圍廣歷史罕見,而橋梁結(jié)構(gòu)作為生命線工程的重要組成部分,在抗震中顯得意義非常重大。

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)思想

建于高烈度地震區(qū)的橋梁,可能遭受地震破壞,因此,必須考慮抗震設(shè)防?？拐鹪O(shè)防的目標(biāo)是“小震不壞,中震可修,大震不倒”。即按多遇地震、設(shè)計(jì)地震、罕遇地震對(duì)橋梁進(jìn)行多水準(zhǔn)設(shè)防。我國(guó)的抗震設(shè)防烈度采用《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)附錄D規(guī)定的地震基本烈度值。一般情況下,抗震設(shè)計(jì)按“地震動(dòng)峰值加速度”和“地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期”進(jìn)行抗震驗(yàn)算,并按“抗震設(shè)防烈度”要求采取相應(yīng)的抗震措施。

汶川大地震影響范圍大,破壞力極強(qiáng),地震發(fā)生后,國(guó)家地震局、交通運(yùn)輸部及時(shí)調(diào)整了四川震區(qū)未來 50年超越概率為 10%的地震動(dòng)峰值區(qū)劃圖,作為災(zāi)后地震評(píng)價(jià)的規(guī)劃用圖之一。該區(qū)劃圖全面提升了震區(qū)大部分地區(qū)的地震動(dòng)峰值,原有橋梁抗震設(shè)防等級(jí)已不適應(yīng)新規(guī)劃圖要求,有專家提出“修舊如舊”的原則,即對(duì)于既有橋梁,不提高其設(shè)防等級(jí),對(duì)于新建橋梁,按新地震動(dòng)峰值進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),提高橋梁抗震設(shè)防等級(jí),以使新建橋梁能夠抵抗高烈度的地震破壞。

3 橋梁抗震設(shè)計(jì)原則

(1)橋梁抗震設(shè)計(jì)在多級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的要求下,對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、延性變形、結(jié)構(gòu)控制、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定也要求在多級(jí)設(shè)防的原則下進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)橋梁抗震性加以分析研究,某類結(jié)構(gòu)不能在地震區(qū)內(nèi)修建。在分析研究原有結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)上,應(yīng)提出更能適應(yīng)地震作用的結(jié)構(gòu)型。其次,對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)不是被動(dòng)地作為地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變位的驗(yàn)算,而是要從設(shè)計(jì)角度,提高結(jié)構(gòu)的防震能力,要系統(tǒng)考慮結(jié)構(gòu)的行為能力設(shè)計(jì)。

(3)針對(duì)目前大量高架橋倒塌毀壞的教訓(xùn),必須開展對(duì)抗震支座、各種型式橋墩的延性研究,要利用約束混凝土的概念提高它的延性。不但對(duì)鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土,而且對(duì)高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)的延性都需展開研究。

(4)結(jié)合我國(guó)國(guó)情,研究結(jié)構(gòu)控制的有效型式,加強(qiáng)抗震措施。必須采用“以柔克剛”的設(shè)想來考慮地震區(qū)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的出發(fā)點(diǎn),改變單純的“以剛克剛”的舊傳統(tǒng)設(shè)防觀點(diǎn)。對(duì)地裂、地面鍺動(dòng)、邊坡倒塌、沙土液化時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)如何抗震設(shè)防也應(yīng)該作深入的研究。

4 橋梁抗震設(shè)計(jì)措施

在橋位選擇、橋孔布設(shè)、橋梁結(jié)構(gòu)體系的選擇、橋型布置、路線走向以及橋梁結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)中可以采取以下措施以達(dá)到結(jié)構(gòu)防震、減少震害的效果。

4.1 總體設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

(1)橋位選擇。

選擇橋址時(shí),橋梁位置應(yīng)選在良好和穩(wěn)定的河段,應(yīng)避開地震時(shí)可能發(fā)生地基失效的松軟場(chǎng)地,選擇堅(jiān)硬場(chǎng)地。如果必須在穩(wěn)定性差的軟弱場(chǎng)地上河段通過時(shí),應(yīng)盡量采用橋梁中線與河流正交,這樣即使地震產(chǎn)生河岸滑移,影響也較小;若采用斜交,地震時(shí)極易產(chǎn)生河岸向河心滑移,會(huì)使橋梁隨之發(fā)生錯(cuò)動(dòng)或扭轉(zhuǎn)破壞。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)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?？梢钥紤]采用減震的新結(jié)構(gòu),比如型鋼混凝土結(jié)構(gòu)等。

(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。

4.2 橋梁抗震構(gòu)造措施

(1)對(duì)常規(guī)的簡(jiǎn)支橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)橋面的連續(xù)構(gòu)造,以及需提供足夠的加固寬度以防止主梁發(fā)生位移落梁,另外還應(yīng)適當(dāng)?shù)募訉挾张_(tái)頂蓋梁及支座的寬度,并增設(shè)防止位移的隔擋裝置。對(duì)采用橡膠支座而無固定支座的橋跨,應(yīng)加設(shè)防移角鋼或設(shè)擋軌,作為支座的抗震設(shè)計(jì)。

(2)在地震區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)以采用跨度相等、每聯(lián)連續(xù)跨內(nèi)下部墩身剛度相等為宜?？缍炔痪?墩身剛度不等極易發(fā)生震害。對(duì)各墩高度相差較大的情況可采用調(diào)整墩頂支座尺寸和樁頂設(shè)允許墩身位移的套筒來調(diào)整各墩的剛度,以便使之剛度盡量保持一致。地震區(qū)橋跨不宜太長(zhǎng),大跨度意味著墩柱承受的軸向力過大,從而降低墩柱的延性力。

(3)對(duì)高烈度區(qū)的橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)在縱向設(shè)置一定的消能裝置,如采用減、隔震支座,以及在梁體和墩臺(tái)的連接處增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼以便共同受力和減小水平橋梁荷載。

(4)由于拱橋?qū)χё轿灰剖置舾?而兩邊橋臺(tái)的非同步激振會(huì)引起較大的偽靜力反應(yīng),有時(shí)甚至?xí)笥趹T性力所引起的動(dòng)力反應(yīng),因此要求震區(qū)的拱橋墩臺(tái)基礎(chǔ)務(wù)必設(shè)置于整體巖盤或同一類型的場(chǎng)址以保證震時(shí)各支座的同步激振。

(5)橋梁的基礎(chǔ)應(yīng)盡可能的建在可靠的地基上,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)。

(6)墩柱設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能的使用螺旋形箍筋,以便為墩柱提供足夠的約束。另外墩身及基礎(chǔ)的縱向鋼盤伸入蓋梁和承臺(tái)應(yīng)有一定的錨固長(zhǎng)度以增強(qiáng)連接點(diǎn)的延性,并且,橋墩基腳處應(yīng)有足夠的抵抗墩柱彎矩與剪切力的能力,不允許有塑性鉸接。

(7)采用將橋墩某些部位設(shè)計(jì)成具有足夠的延性,以使在強(qiáng)震作用下使該部位形成穩(wěn)定的延性塑性鉸,并產(chǎn)生彈塑性變形來延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期,耗散地震力。

(8)采用上部結(jié)構(gòu)和橋墩完全連接的剛構(gòu)體系,并且樁尖穿過可液化層達(dá)到堅(jiān)硬土層上,由于結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)增大和堅(jiān)實(shí)的樁尖承載能力的保證,減少了由于土壤變形而失效的可能性。

5 結(jié)束語

雖然目前地震還不可有效的預(yù)測(cè),但是只要我們通過研究認(rèn)識(shí)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律,橋梁設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體的地質(zhì)環(huán)境條件,同時(shí)綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素與安全因素,選擇恰當(dāng)?shù)目拐鸫胧?就能盡量減低震害的影響。

[1]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部(JTG/TB02-01-2008)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[M].北京:人民交通出版社,2008.

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