基于橋梁設(shè)計(jì)中抗震技術(shù)的應(yīng)用探討

周強(qiáng) 李宇斐 王寧

【摘要】橋梁作為公路交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，建設(shè)數(shù)量也逐漸增多。橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，抗震技術(shù)應(yīng)用是確保橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要措施，運(yùn)用抗震技術(shù)，能減少橋梁在遭受地震時(shí)的損失或破壞，有利于提高橋梁結(jié)構(gòu)安全。本文對(duì)橋梁設(shè)計(jì)中的抗震技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，以供同僚參考。

【關(guān)鍵詞】橋梁設(shè)計(jì)；抗震技術(shù)；橋梁抗震

一.橋梁結(jié)構(gòu)遭受地震破壞的主要形式

結(jié)合歷史上橋梁遭受地震所造成的破壞情況來(lái)看，混凝土橋梁主要產(chǎn)生斷層、液化等地基失效引起的破壞，同時(shí)還包括彎曲破壞、剪切破壞、落梁破壞和支座損傷等形式。

1.彎曲破壞

橋梁結(jié)構(gòu)在水平地震荷載作用下，產(chǎn)生過(guò)大的變形從而導(dǎo)致橋梁混凝土的鋼筋壓屈、保護(hù)層脫落、內(nèi)部混凝土崩裂或壓碎，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)失去承載能力。地震作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的彎曲破壞，主要包括四個(gè)階段：（1）橋梁在遭受地震時(shí)，彎矩超過(guò)混凝土開(kāi)裂的強(qiáng)度時(shí)，在截面位置出現(xiàn)水平彎曲裂縫；（2）裂縫逐步發(fā)展和荷載強(qiáng)度的提高，導(dǎo)致受拉側(cè)的縱筋達(dá)到或超過(guò)屈服強(qiáng)度；（3）變形量繼續(xù)增大，導(dǎo)致混凝土的保護(hù)層脫落及塑性鉸的范圍擴(kuò)大；（4）鋼筋拉斷或壓屈，橋梁混凝土內(nèi)部出現(xiàn)壓碎或崩裂。

2.剪切破壞

剪切破壞又稱(chēng)為彎剪破壞，是在水平地震的荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)受到剪切力達(dá)到或超過(guò)截面的剪切強(qiáng)度，而發(fā)生剪切破壞。地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的剪切破壞過(guò)程，主要包括以下階段：（1）截面的彎矩達(dá)到或超過(guò)開(kāi)裂的強(qiáng)度時(shí)，在截面上出現(xiàn)水平的彎曲裂縫；（2）裂縫繼續(xù)發(fā)展及荷載強(qiáng)度的逐漸提高，在柱內(nèi)出現(xiàn)斜方向的剪切裂縫；（3）局部的剪切裂縫逐漸增大，箍筋屈服并導(dǎo)致剪切裂縫明顯增長(zhǎng)；（4）產(chǎn)生脆性的剪切破壞。

3.落梁破壞

地震作用時(shí)，橋梁梁體的水平位移超過(guò)梁端支撐的長(zhǎng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生落梁破壞。橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生落梁破壞主要是由于橋梁和橋臺(tái)或橋墩的相對(duì)位移過(guò)大，而導(dǎo)致支座喪失約束能力所造成的破壞，一般發(fā)生在支座破壞、梁的支撐長(zhǎng)度不夠、橋墩間地震相對(duì)位移較大及梁間地震碰撞等情況下。

二.橋梁設(shè)計(jì)中的抗震技術(shù)

1.橋梁抗震設(shè)計(jì)基本原則

（1）橋梁結(jié)構(gòu)體系的整體性和規(guī)則性

為減少橋梁在遭受地震時(shí)的破壞程度，要確保橋梁結(jié)構(gòu)的整體性。較好的整體性可以防止橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下被震散掉落而造成破壞，其上部結(jié)構(gòu)盡量設(shè)計(jì)為連續(xù)的，促使橋梁結(jié)構(gòu)在面臨地震作用時(shí)能充分發(fā)揮空間作用。橋梁結(jié)構(gòu)布置上要做到剛度、質(zhì)量及幾何尺寸的規(guī)整、對(duì)稱(chēng)和均勻，盡量避免出現(xiàn)突然變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高。

（2）確保橋梁結(jié)構(gòu)和構(gòu)件延性和強(qiáng)度

地震破壞對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成影響，其主要原因是由于地震引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。在進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量使從地基傳入到橋梁結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)能量減低，確保橋梁結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)膭偠取?qiáng)度和延性，避免造成破壞。橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和延性對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力影響較大，結(jié)構(gòu)剛度的選擇有利于控制橋梁結(jié)構(gòu)的變形。由于地震可能造成橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件反復(fù)變形，導(dǎo)致強(qiáng)度和剛度降低，因此在注重強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，要確保結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

（3）能力設(shè)計(jì)原則

橋梁抗震設(shè)計(jì)中，采用能力設(shè)計(jì)原則，主要是通過(guò)強(qiáng)度和安全度的差異，確保橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生延性形式的反應(yīng)，而不至于發(fā)生脆性的破壞。在擬定的橋梁方案中，要進(jìn)行地震作用的分析計(jì)算，研究橋梁結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，并選擇橋梁結(jié)構(gòu)的塑性變形機(jī)制，將塑性鉸的位置確定下來(lái)，確保塑性鉸出現(xiàn)在易于修復(fù)和易于發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)部位。

2.橋梁設(shè)計(jì)抗震技術(shù)

（1）橋梁抗震概念設(shè)計(jì)

地震的發(fā)生存在復(fù)雜因素及不確定因素，因此橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型需要假定結(jié)果和實(shí)際發(fā)生情況存在較大的差異，導(dǎo)致橋梁抗震設(shè)計(jì)在某種程度上對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能難以掌控。對(duì)此，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不能單純依靠計(jì)算，而是要融入概念設(shè)計(jì)。橋梁抗震的概念設(shè)計(jì)直接對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能造成影響，良好的概念設(shè)計(jì)基本要求是：設(shè)計(jì)橋梁方案時(shí)要根據(jù)精力分析、功能要求及橋梁抗震性能進(jìn)行取舍，確?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系的安全。進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要注重上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)連接部位和過(guò)渡孔連接部位的設(shè)計(jì)，同時(shí)也要注重塑性鉸預(yù)期部位及橋墩形式的選?。缓?jiǎn)單分析動(dòng)力特性并對(duì)結(jié)構(gòu)面對(duì)地震時(shí)的反應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位、結(jié)構(gòu)構(gòu)件能否通過(guò)配筋等方面進(jìn)行深入分析。概念設(shè)計(jì)是確保橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的重要手段。概念設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)分析結(jié)果來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行優(yōu)劣評(píng)判，根據(jù)具體情況對(duì)橋梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行適當(dāng)修改。

（2）采用隔震支座

在橋墩、橋臺(tái)和梁體的連接處增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼，采用鉛芯橡膠支座、層疊橡膠支座、聚四氟依稀支座等減震或隔震支座，以減小橋梁對(duì)地震的反應(yīng)，達(dá)到提高橋梁抗震的目的。大量的試驗(yàn)和理論研究都表明，在橋梁結(jié)構(gòu)中采用減震、隔震支座對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有較大影響，梁體和橋臺(tái)、橋墩相連處安裝減震、隔震支座以及采用隔震支座和阻尼結(jié)合的系統(tǒng)，能夠有效減小橋臺(tái)、橋墩受到水平地震力的影響。

（3）利用橋墩延性進(jìn)行減震

在當(dāng)前橋梁抗震設(shè)計(jì)中，利用橋墩的延性進(jìn)行減震是最常用的方法。利用橋梁橋墩的延性進(jìn)行減震，將橋墩部分部件設(shè)計(jì)足夠的延性，以便橋梁在地震作用下，具有延性的部位形成穩(wěn)定的延性、塑性鉸產(chǎn)生彈塑性變形從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期，達(dá)到耗散地震能量的作用。利用橋墩延性進(jìn)行減震，需要對(duì)彈性反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算，適當(dāng)修正塑性反應(yīng)的地震荷載。

（4）擾度和位移

在傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計(jì)中，一般都采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，即便對(duì)位移和延性有所考慮，主要也是通過(guò)強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)間接實(shí)現(xiàn)的。隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，工程設(shè)計(jì)人員越來(lái)越認(rèn)識(shí)到位移和擾度在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的重要作用，在許多橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，都直接將位移作為設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而形成多參數(shù)抗震設(shè)計(jì)方法。隨著各種非彈性反應(yīng)譜的深入研究和應(yīng)用范圍擴(kuò)大，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則和指南中都開(kāi)始逐漸引入位移設(shè)計(jì)的方法。

3.橋梁抗震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

一般來(lái)說(shuō)，橋梁抗震設(shè)計(jì)都是按照相應(yīng)規(guī)范中的簡(jiǎn)化方法來(lái)進(jìn)行。目前，我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中都采用反應(yīng)譜原理，通過(guò)對(duì)橋梁地震荷載及抗震設(shè)計(jì)烈度，對(duì)橋梁在地震發(fā)生時(shí)可能產(chǎn)生的位移及受到的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到預(yù)防地震的目的。對(duì)重要的橋梁結(jié)構(gòu)，需要對(duì)橋梁進(jìn)行必要的地震反應(yīng)分析，分析方法要結(jié)合相關(guān)力學(xué)原理及地震時(shí)地面的振動(dòng)速度，分析地震動(dòng)力，結(jié)合橋梁抗震要求，設(shè)置科學(xué)合理的橋梁結(jié)構(gòu)加固方案。在地震發(fā)生較為強(qiáng)烈的區(qū)域，出于安全考慮，要增強(qiáng)橋梁的主要承重結(jié)構(gòu)，確保橋梁的可靠性。此外，可以采用動(dòng)力時(shí)程分析法和反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，遇到高墩、大跨橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮采用行波效應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，確保橋梁抗震性能的提高。

四.結(jié)束語(yǔ)

加強(qiáng)橋梁設(shè)計(jì)中的抗震技術(shù)應(yīng)用，是確保橋梁穩(wěn)定性的重要措施，同時(shí)也是橋梁質(zhì)量的重要保障。進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)及橋梁抗震設(shè)計(jì)要求，借鑒先進(jìn)抗震技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，逐步提高橋梁抗震水平，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定。

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