城市橋梁抗震設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題分析

李朋

摘要：隨著城市交通的發(fā)展，城市橋梁的數(shù)量也逐漸增加，由于抗震設(shè)計(jì)的不足，城市橋梁在地震發(fā)生時(shí)會(huì)造成不同程度的破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至造成橋梁的坍塌，嚴(yán)重威脅市民的人身和財(cái)產(chǎn)安全。因此，對(duì)于城市橋梁抗震設(shè)計(jì)中問(wèn)題的分析，是具有重要意義的。

關(guān)鍵詞：城市橋梁；抗震設(shè)計(jì)

隨著市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度加大，城市橋梁在我國(guó)發(fā)展迅速，主要形式為城市立交橋和城市高架橋。但是，城市橋梁由于抗震設(shè)計(jì)的不足等因素，橋梁在地震中的抗破壞能力有限。一旦發(fā)生地震，將會(huì)受到嚴(yán)重的破壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至嚴(yán)重造成人員傷亡。2008年的汶川地震，僅綿竹市內(nèi)橋梁中有6.82%的完全毀壞，26.14%的橋梁嚴(yán)重破壞，27.27%的橋梁中等破壞，31.82%的橋梁輕微破壞，僅有7.95%的橋梁基本完好。由此可見(jiàn)，如果城市橋梁設(shè)計(jì)中存在問(wèn)題，將會(huì)在地震中不堪一擊。

一、城市橋梁地震受害的類型

隨著城市橋梁在地震中各個(gè)部分受到的破壞可能是相互獨(dú)立的，也可能是相互聯(lián)系的。這些破壞往往難以修復(fù)，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)o人身安全帶來(lái)威脅。

（一）橋臺(tái)的震害

在地震發(fā)生時(shí)，橋臺(tái)的震害較為常見(jiàn)。除了樁基被剪切破壞，地基喪失承載力，如沙土液化等引起的橋臺(tái)滑移，臺(tái)身與上部結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞引起破壞，以及橋臺(tái)向后傾斜。2008年的汶川地震中的橋臺(tái)震害，就包括臺(tái)身結(jié)構(gòu)破壞和護(hù)坡垮塌等。

（二）橋梁墩柱的震害

由于大量震害資料表明，橋梁下部結(jié)構(gòu)中普遍采用的鋼筋混凝土橋墩，其破壞形式主要為彎曲破壞和剪切破壞。彎曲破壞是延性的，表現(xiàn)多為開(kāi)裂，混凝土剝落壓潰、鋼筋裸露和彎曲等，伴隨彎曲破壞還會(huì)發(fā)生很大的塑性變形；橋墩剪切破壞則是脆性的，伴隨著強(qiáng)度和剛度的急劇下降，往往會(huì)造成墩柱以上及下部結(jié)構(gòu)的倒塌。所以震區(qū)橋墩的設(shè)計(jì)原則為“強(qiáng)剪弱彎”，以保證橋梁在受到地震作用時(shí)，先反生彎曲破壞，而不發(fā)生剪切破壞。

（三）支座受到地震的破壞

在地震發(fā)生時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的地震慣性力通過(guò)支座傳到下部結(jié)構(gòu)，當(dāng)傳遞荷載超過(guò)支座的設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，支座就會(huì)被剪壞。當(dāng)支座變位超過(guò)活動(dòng)支座容許值時(shí)，橋梁傾斜或支座落位，甚至引發(fā)落梁。

（四）主梁受到地震的破壞

主梁在地震中的震害主要為主梁的縱向移位、橫向移位及扭轉(zhuǎn)移位，如果主梁的移位超出了墩、臺(tái)的支承面，則會(huì)發(fā)生落梁震害；另外，主梁還可能發(fā)生碰撞震害。

城市橋梁抗震設(shè)計(jì)必須綜合考慮各個(gè)部分的受害特點(diǎn)，并做出相應(yīng)的有效措施，從而盡量將地震造成的損失降到最小。

二、城市橋梁抗震設(shè)計(jì)原則

根據(jù)橋梁抗震規(guī)范采用的是三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)和兩階段設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)要地說(shuō)就是要求橋梁抗震做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)的要求是指在第一水準(zhǔn)時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，因此可以采用線彈性動(dòng)力理論進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析，以滿足強(qiáng)度要求。在第二水準(zhǔn)烈度，即設(shè)防基本烈度時(shí)，橋梁可能出現(xiàn)一定程度的破壞，但經(jīng)過(guò)修理后仍可繼續(xù)使用。從結(jié)構(gòu)受力角度來(lái)講，橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入非彈性階段，但結(jié)構(gòu)的彈塑性變形被控制在一定的限度內(nèi)。在第三水準(zhǔn)烈度，橋梁結(jié)構(gòu)可以有較大的非彈性變形，但仍應(yīng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)。兩階段設(shè)計(jì)，第一階段采用第一水準(zhǔn)的地震烈度及相關(guān)地震動(dòng)參數(shù)，按彈性理論計(jì)算地震作用效應(yīng)與其他荷載組合，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力和彈性變形驗(yàn)算；第二階段設(shè)計(jì)取第三水準(zhǔn)的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性層間變形驗(yàn)算，同時(shí)采用相應(yīng)的構(gòu)造措施。

針對(duì)橋梁震害及抗震設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，要保證橋梁在地震中達(dá)到抗震設(shè)計(jì)的預(yù)期，還應(yīng)注意以下問(wèn)題：

（一）選擇合理的橋位

橋梁工程抗震設(shè)防的主要對(duì)象是構(gòu)造地震，而構(gòu)造地震與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。在發(fā)震斷層及其相鄰地段，地震烈度高，對(duì)橋梁的破壞性極大，橋位選擇應(yīng)盡可能避開(kāi)。同時(shí)還應(yīng)盡量避開(kāi)軟弱粘性土層、可液化土層和地層嚴(yán)重不均勻的地段以及滑坡、坍塌等不良地質(zhì)地段，以減輕地震發(fā)生時(shí)的次生震害。如必須設(shè)置在可液化或松軟土層的河岸地段時(shí)，橋長(zhǎng)應(yīng)適當(dāng)增長(zhǎng)，將橋臺(tái)置于穩(wěn)定的河岸上，而橋墩基礎(chǔ)要加強(qiáng)。如必須在軟土地基上選用簡(jiǎn)支梁或懸臂梁體系（帶有掛孔）時(shí)，應(yīng)在構(gòu)造上加強(qiáng)防止落梁的措施，墩臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)選用整體性好的結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)要埋入穩(wěn)定土層內(nèi)。

（二）橋梁整體穩(wěn)定

在城市橋梁的抗震設(shè)計(jì)中，要著重保持橋梁的整體性。因?yàn)榫哂姓w性的橋梁，在地震時(shí)以一個(gè)整體的形式接受外界驅(qū)動(dòng)力的作用，可以以最大質(zhì)量接受外界驅(qū)動(dòng)力發(fā)生受迫振動(dòng)，此時(shí)受迫振動(dòng)的振幅是最小的。從橋梁的幾何線形來(lái)講，橋梁最好是直線橋，且各墩高差不大；從橋梁結(jié)構(gòu)布局方面來(lái)說(shuō)，上部結(jié)構(gòu)最好是連續(xù)小跨結(jié)構(gòu)，并在多個(gè)橋墩上布置彈性支座，各橋墩的剛度和強(qiáng)度相差不大。也就是說(shuō)，具有整體性的橋梁抵抗地震沖擊的能力是最強(qiáng)。

（三）提高橋梁延性

城市橋梁的抗震設(shè)計(jì)中，另一個(gè)關(guān)鍵的性能就是延性。橋梁延性指的是橋梁抗力始終沒(méi)有明顯下降的情況下橋梁結(jié)構(gòu)所能經(jīng)受的反復(fù)彈塑性變形循環(huán)的能力。由于地震瞬間爆發(fā)的能量非常大，很多城市橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都很難抵擋地震波的沖擊，這個(gè)時(shí)候，良好的延性將使橋梁有較大可能免受地震的破壞。因?yàn)楸M管地震的影響使橋梁發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化，橋體發(fā)生形變會(huì)輕微的位移，但是良好的延性能夠保持橋梁完整性，使其發(fā)生形變而不發(fā)生破壞，大大增強(qiáng)了城市橋梁的抗震能力。

三、城市橋梁抗震設(shè)計(jì)的方法

（一）選取合理的橋梁方案

橋梁的方案階段，就應(yīng)選取抗震性能較好、整體性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系，如連續(xù)梁、無(wú)鉸拱等。如中國(guó)趙州橋，系石拱橋，地處多地震區(qū)，建橋1300多年以來(lái)，經(jīng)多次強(qiáng)烈地震，猶屹立未毀。

（二）建立合理的抗震模型

通常在一般情況下應(yīng)建立橋梁結(jié)構(gòu)的空間動(dòng)力計(jì)算模型進(jìn)行抗震分析，計(jì)算模型應(yīng)反應(yīng)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。計(jì)算模型應(yīng)能正確反應(yīng)橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座和地基的剛度、質(zhì)量分布及阻尼特性。通常主梁和墩柱采用空間桿系單元模擬，單元質(zhì)量采用集中質(zhì)量代表。

（三）重視橋梁抗震構(gòu)造措施

橋梁設(shè)計(jì)的方案階段，就應(yīng)選取對(duì)抗震有利的橋梁形式。上部結(jié)構(gòu)連續(xù)的橋梁，各橋墩高度最好相近。若因地形限制導(dǎo)致相鄰墩高相差較大，設(shè)計(jì)可以采取不同的橋墩斷面構(gòu)造方式來(lái)調(diào)整橋墩的抗推剛度。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)塑性鉸區(qū)域、結(jié)點(diǎn)區(qū)域等薄弱部位的構(gòu)造措施，以保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和延性。對(duì)于抗震設(shè)防烈度為7度以上的橋梁，應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范上的抗震設(shè)防措施，確保橋梁抗震構(gòu)造安全。

（四）靈活運(yùn)用抗震規(guī)范

《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ166-2011）中規(guī)定，對(duì)于城市快速路上的橋梁，應(yīng)進(jìn)行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震驗(yàn)算；對(duì)于城市主干道上的橋梁，則只進(jìn)行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗(yàn)算。規(guī)范條文如此規(guī)定的出發(fā)點(diǎn)，可能是基于橋梁位置重要性。但是，設(shè)計(jì)人員再作橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)拘泥于規(guī)范條文，而應(yīng)結(jié)合橋梁所在的道路等級(jí)和橋梁結(jié)構(gòu)本身來(lái)進(jìn)行。如果橋梁位于城市主干道，但橋梁跨度較大或結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，也應(yīng)同時(shí)進(jìn)行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震驗(yàn)算。這樣，既滿足了抗震規(guī)范，又能使橋梁的抗震設(shè)計(jì)更趨合理。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)對(duì)城市橋梁受地震發(fā)生破壞的類型和特性，并針對(duì)這些類型特定進(jìn)行分析和總結(jié)。并結(jié)合新的城市橋梁抗震規(guī)范，而提出了城市橋梁抗震設(shè)計(jì)的一些原則和方法。

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