論提高橋梁的抗震性能的設(shè)計(jì)策略

摘要:本文分析了我國橋梁產(chǎn)生震災(zāi)的主要原因，以及我國現(xiàn)階段在提高橋梁抗震設(shè)計(jì)中存在的種種問題，并以此針對如何提高橋梁的抗震性能設(shè)計(jì)的策略提出自己的見解。

關(guān)鍵詞:橋梁抗震;設(shè)計(jì)方法;地震災(zāi)害:應(yīng)用

我國是世界上的多地震國家之一， 近些年發(fā)生的幾次大地震使橋梁結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，但也使我們獲取了關(guān)于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的極其寶貴的資料。因此橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)一直受到社會重視?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)被各國廣泛討論，并被認(rèn)為是將來抗震設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。目的就是在未來的抗震設(shè)計(jì)中，希望在不同強(qiáng)度地震水平的作用下，能夠有效地控制橋梁的破壞和使用功能喪失的狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)明確的不同性能水平。

一、產(chǎn)生橋震災(zāi)害的主要原因

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，首先是場地和地基破壞，從而產(chǎn)生橋梁破損并引起其它災(zāi)害。場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:橋臺錐體、墩周鋪?zhàn)o(hù)開裂，甚至滑移;墩臺身位移，支座錨栓剪斷，嚴(yán)重時產(chǎn)生落梁現(xiàn)象;砂土液化，橋墩下沉;墩臺身開裂，嚴(yán)重時橋梁倒塌。

(一)支承連接件失效

由于上下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了支承連接件不能承受的相對位移，使支承連接件失效，上部與下部結(jié)構(gòu)脫開，導(dǎo)致梁體墜毀。由于落梁的強(qiáng)烈沖擊力，下部結(jié)構(gòu)將遭受嚴(yán)重破壞。支承連接件失效的原因，主要是設(shè)計(jì)低估了相鄰跨之間的相對位移。為了解決這個問題，目前國內(nèi)外的通常做法是增加支承面寬度和在簡支的相鄰梁之間安裝縱向約束裝置。

(二)下部結(jié)構(gòu)失效

主要是指橋墩和橋臺失效。橋墩和橋臺如果不能抵抗自身的慣性力和由支座傳遞來的上部結(jié)構(gòu)的地震力，就會開裂甚至折斷，其支承的上部結(jié)構(gòu)也將遭受嚴(yán)重的破壞。鋼筋混凝土柱式橋墩大量遭受嚴(yán)重?fù)p壞，是近期橋梁震害的一個特點(diǎn)其原因主要是橫向約束箍筋數(shù)量不足和間距過大，因而不足以約束混凝土和防止縱向受壓鋼筋屈曲。目前的解決辦法是通過能力設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)，使橋梁的屈服只發(fā)生在預(yù)期的塑性鉸部位，其余結(jié)構(gòu)保持彈性。

(三)軟弱地基失效

如果下部結(jié)構(gòu)周圍的地基易受地震震動而變?nèi)酰虏拷Y(jié)構(gòu)就可能發(fā)生沉降和水平移動。如砂土的液化和斷層等，在地震中都可能引起墩臺的毀壞。地基失效引起的橋梁結(jié)構(gòu)破壞，有時是人力所不能避免的，因此在橋梁選址時就應(yīng)該重視，并設(shè)法加以避免。如果無法避免時，則應(yīng)考慮對地基進(jìn)行處理或采用深基礎(chǔ)。

(四)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)下部的開裂、變形和失效，甚至傾覆，并由此引起全橋的嚴(yán)重破壞。

二、橋梁抗震設(shè)計(jì)中存在的問題

(一)強(qiáng)度抗震設(shè)計(jì)單一

我國公路橋梁按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，只需進(jìn)行設(shè)計(jì)地震力作用下的強(qiáng)度驗(yàn)算，而近期的橋梁震害事實(shí)和當(dāng)前的抗震設(shè)計(jì)理論，都反復(fù)闡明了單一的強(qiáng)度設(shè)防無法保證橋梁結(jié)構(gòu)具有令人滿意的抗震性能。如在美國諾斯雷奇地震和日本阪神地震中，處于強(qiáng)震區(qū)的橋梁遭受到超過設(shè)計(jì)地震加速度3～4倍甚至更大的地面運(yùn)動加速度，按早期規(guī)范規(guī)定僅進(jìn)行強(qiáng)度抗震設(shè)計(jì)的橋梁，無法抵御如此巨大的地震力作用而均遭受嚴(yán)重破壞;相反的，處于同一地區(qū)、按新規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度和

延性設(shè)計(jì)或者經(jīng)過延性抗震加固的橋梁，則都表現(xiàn)出良好的抗震性能。因此，單一的強(qiáng)度設(shè)防原則是我國目前公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中存在的最主要問題。

(二)細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)的問題

細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，早已為歷次地震實(shí)踐所證明。在地震區(qū)，橋墩中的橫向箍筋和縱向鋼筋的錨固應(yīng)符合抗震規(guī)范要求。但目前我國仍有設(shè)計(jì)和施工單位為考慮施工方便，箍筋不按要求在端部彎成135°彎鉤并伸入混凝土核心，而是直接做成短的直角“L”形。此外，橋墩中的箍筋間距和體積配箍率也應(yīng)達(dá)到一定要求，以滿足約束混凝土和防止縱筋屈曲要求。但國內(nèi)外已有的大量實(shí)驗(yàn)表明，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的體積配箍率不足于滿足上述要求。特別值得注意的是，我國目前公路橋梁橋墩設(shè)計(jì)中采用的典型的體積配箍率，與日本阪神地震中嚴(yán)重破壞的橋墩的體積配箍率相差無幾。

綜上所述，不合理的抗震設(shè)計(jì)理論和不良的抗震設(shè)計(jì)是引起橋梁結(jié)構(gòu)災(zāi)難性破壞的根本原因，現(xiàn)行的我國公路橋梁抗震設(shè)計(jì)所依據(jù)的規(guī)范已無法滿足公路橋梁抗震設(shè)防的要求。

三、加強(qiáng)橋梁抗震的措施

在橋梁結(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:

對常規(guī)的簡支橋梁結(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_頂蓋梁及支座的寬度，并增設(shè)防止位移的隔擋裝置。

橋梁位置應(yīng)選在良好和穩(wěn)定的河段，如果必須在穩(wěn)定性差的軟弱場地上河段通過時，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，地震時極易產(chǎn)生河岸向河心滑移，會使橋梁隨之發(fā)生錯動或扭轉(zhuǎn)破壞。另外，應(yīng)注意在主河槽與河灘分界的地形突變處，應(yīng)盡量避免設(shè)墩，否則應(yīng)加強(qiáng)措施以減免滑移。對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)。

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丈韯偠炔坏葮O易發(fā)生震害。對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。

對高烈度區(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。

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

橋梁的基礎(chǔ)應(yīng)盡可能的建在可靠的地基上，否則軟土的液化會加大地震反應(yīng)。地震區(qū)橋跨不宜太長，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。

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應(yīng)有一定的錨固長度以增強(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。

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結(jié)構(gòu)的振動周期，耗散地震力。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。

結(jié)論:

總而言之，目前用于橋梁抗震設(shè)計(jì)的方法很多，各有優(yōu)缺點(diǎn)，大部分都是基于計(jì)算機(jī)程序化計(jì)算。在實(shí)際工程實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)要求合理選擇抗震設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn):

[1]曾輝.論橋梁的抗震設(shè)計(jì)及其在我國的應(yīng)用[J].科技資訊，2009(02).

[2]鄭孝強(qiáng);鄒文芳.提高橋梁抗震能力的設(shè)計(jì)方法研究[J].科協(xié)論壇，2009(01).

[3]占勁松;胡常福.汶川地震對橋梁抗震的思考[J].交通科技，2010(01).

[4]趙淳;楊朝暉.橋梁抗震分析方法研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009(01).

[5]高遠(yuǎn);魏志剛;王慶寬.淺談橋梁抗震分析方法[J].吉林交通科技，2009(01).