淺談公路橋梁抗震設(shè)計

高奎

摘要：在抗震搶險救災(zāi)中，公路交通運輸是搶救人民生命財產(chǎn)、盡快恢復(fù)生產(chǎn)和重建家園的重要環(huán)節(jié)，遍布的道路交通就猶如全身的血管，由此可知道路交通的重要性，而公路橋梁作為道路交通的一部分，其重要性也就可想而知，而橋梁工程，作為重要的生命線工程，是交通運輸?shù)难屎?，在國家建設(shè)中起著舉足輕重的作用，而在地震發(fā)生后為了緊急救援和抗震救災(zāi)的需要，其重要性就更為明顯。

關(guān)鍵詞：公路橋梁；施工管理

我國是地震多發(fā)的國家之一，為保證公路橋梁設(shè)施的完好，發(fā)揮其在抗震救災(zāi)中的作用，需對公路橋梁抗震設(shè)計進(jìn)行深入的研究，所以本文就將對公路橋梁抗震設(shè)計予以簡單的闡述。

一、橋梁的主要震害形式

橋梁的震害有多種形式，根據(jù)破壞的部位不同，主要可分為上部結(jié)構(gòu)震害、附屬工程震害、墩柱震害、基礎(chǔ)震害四種：一是上部結(jié)構(gòu)震害。橋梁上部結(jié)構(gòu)震害按照產(chǎn)生的原因不同，可以分為結(jié)構(gòu)震害和位移震害。其中較常見的是位移震害，橋梁位移震害主要表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)的縱向位移、橫向位移以及扭轉(zhuǎn)，一般來說，設(shè)置伸縮縫的地方比較容易發(fā)生位移震害，如果上部結(jié)構(gòu)的位移超過了墩、臺等的支撐面，則會發(fā)生更為嚴(yán)重的落梁震害，其落梁的原因一般是因為限位構(gòu)造失效、墩臺支承寬度不足造成，在地震力作用下，梁、墩臺間出現(xiàn)較大相對位移，導(dǎo)致落梁現(xiàn)象的發(fā)生；二是附屬工程震害。在地震力的作用下，主梁與下部墩柱、橋臺連接部較為薄弱，若附屬工程沒有足夠的限位能力將出現(xiàn)震害，其主要表現(xiàn)為支座脫離主梁、擋塊碰撞破壞、伸縮縫拉斷、臺胸墻剪斷等震害；三是墩柱震害。墩柱的震害主要表現(xiàn)出兩種特征：即塑性鉸破壞和剪切破壞，柔橋墩柱在地震力作用下，墩柱底部、頂部和墩柱與系梁連接處容易出現(xiàn)塑性鉸，塑性鉸混凝土在反復(fù)地震作用下剝落、破碎，失去承載能力，而剛性墩在地震作用下，變形能力小，主要以強(qiáng)度抵抗地震力，當(dāng)?shù)卣鹆Τ狡涑休d強(qiáng)度時，出現(xiàn)剪切破壞；四是基礎(chǔ)震害?；A(chǔ)的破壞與地基的破壞緊密相關(guān)，地基破壞一般都會導(dǎo)致基礎(chǔ)的破壞，地基破壞主要是指地震作用下因砂土液化、不均勻沉降及穩(wěn)定性不夠等因素導(dǎo)致的地層水平滑移、下沉、斷裂，基礎(chǔ)的震害則主要表現(xiàn)為移位、傾斜、下沉、折斷和塑性鉸破壞。

二、公路橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)

公路工程對政治、經(jīng)濟(jì)、國防和抗震救災(zāi)具有特別重要的意義，在地震時一旦發(fā)生破壞，就將造成交通中斷，后果非常嚴(yán)重，所以在進(jìn)行公路工程抗震設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同等級公路的重要性程度，要考慮重要性系數(shù)來計算水平地震作用，其與建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計采用的“三水準(zhǔn)兩階段”的抗震設(shè)計方法有所不同，目前我國橋梁抗震仍采用一次設(shè)計法，僅進(jìn)行基本烈度下的抗震驗算，只進(jìn)行設(shè)計地震力作用下的強(qiáng)度驗算，沒有考慮橋梁結(jié)構(gòu)的“變形能力”和“耗能能力”，這就導(dǎo)致鋼筋混凝土墩桂在強(qiáng)烈地震作用下，往往會因設(shè)計彎曲延性不足或塑性鉸區(qū)設(shè)計抗剪強(qiáng)度不足而發(fā)生彎剪破壞或剪切破壞，因此，單一的強(qiáng)度設(shè)防原則是目前我國公路橋粱抗震設(shè)計中存在的主要問題，國際上公認(rèn)的多級抗震設(shè)防原則是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，我們建議公路橋梁的抗震設(shè)計宜采用三階段三水準(zhǔn)設(shè)防，對于第一階段設(shè)計：對于小震，宜采用眾值裂度的地震動參數(shù)，計算出結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)在小震作用下不發(fā)生彈性破壞，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗算，滿足第一設(shè)防裂度對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性的要求，實現(xiàn)小震不壞；對于第二階段設(shè)計：對于中震，宜采用第二水準(zhǔn)裂度的地震動參數(shù)，考慮剛度退化，計算截面開裂、屈服及破壞時的荷載位移關(guān)系，并同地震荷載效應(yīng)比較，要求有一定的安全度，從而滿足第二級設(shè)防要求，實現(xiàn)中震可修；對于第三階段設(shè)計：對于大震，宜采用第三水準(zhǔn)裂度的地震動參數(shù)計算地震荷載效應(yīng)，并同截面的破壞荷載比較，要求有一定的安全度，并考慮結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)制，以保證整體穩(wěn)定可靠度，從而實現(xiàn)大震不倒，上述三階段設(shè)計原則實際上就規(guī)定了結(jié)構(gòu)在三級地震水平下相應(yīng)的反應(yīng)，即在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)總體處于彈性反應(yīng)范圍，結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有損壞，在設(shè)防烈度的地震作用下，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)一定的塑性變形，但最大變形值應(yīng)限定在遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)的容許變形以內(nèi)，在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷較大的彈塑性變形循環(huán)，最大變形可能達(dá)到結(jié)構(gòu)的容許變形值，但始終不超過容許變形值，這就最終實現(xiàn)了“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防原則。

三、公路橋梁抗震設(shè)防措施

一是地段的選擇。路橋梁項目的工程設(shè)計者在設(shè)計之初，應(yīng)該對建筑地段進(jìn)行合理化選擇，掌握當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)資料和以前的地震活動情況，要避開不宜建筑地段，并采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施；二是設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)方案。在一般情況下，設(shè)計者在確定路線和控制點時，都應(yīng)避開烈度高，震害破壞性大的地段，并合理利用當(dāng)?shù)氐貏莸匦危捎煤线m的設(shè)計方案，在確保橋梁防震水平的用時減少對自然平衡條件的破壞；三是要分析橋梁系統(tǒng)中抗震的強(qiáng)弱部分。通過對多年來的震害資料進(jìn)行查閱，我們發(fā)現(xiàn)橋梁下部結(jié)構(gòu)崩塌比較嚴(yán)重，橋梁上部結(jié)構(gòu)抗震能力相對較好，震害主要會使橋梁上部結(jié)構(gòu)中橋梁端撞損、梁片分離，不會影響橋梁的主要功能，震后修復(fù)也相對容易；四是橋梁延性抗震設(shè)計。延性抗震設(shè)計主要是利用結(jié)構(gòu)、構(gòu)件自身的延性耗能能力來抵抗地震的破壞作用，在設(shè)計時是通過增加結(jié)構(gòu)、構(gòu)件延性來實現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)塑性鉸的部分進(jìn)行專門的延性設(shè)計，如梁體與墩、臺的連接處增加隔震支座，有效地減小墩、臺所受的水平地震力；利用橋墩延性抗震，采用隔震支座和阻尼器相結(jié)合的系統(tǒng)達(dá)到減震的目的，采用減震新結(jié)構(gòu)-型鋼混凝土結(jié)構(gòu)等，也大大了減小結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)，提高了橋梁的安全性能；五是防止橋梁落架設(shè)計措施。公路橋梁設(shè)計上要考慮主梁支承長度和主梁限位裝置，在主梁支承長度上要將取值放大一些，在縱向上要設(shè)置縱向防落梁構(gòu)造，但限位裝置不得防礙縱向防落梁構(gòu)造的作用發(fā)揮，且在強(qiáng)震區(qū)橋梁上結(jié)構(gòu)要采用重量輕的鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)體系，增加整體性，降低自重，減小地震慣性作用；六是橋梁結(jié)點抗震設(shè)計措施。橋梁結(jié)點區(qū)域一旦受損將難以修復(fù)，城市高架橋墩柱的結(jié)點、橋墩與蓋梁的結(jié)點、橋墩與基礎(chǔ)的結(jié)點等，是保證橋梁整體工作的重要構(gòu)件，所以在橋梁抗震設(shè)計中，除了要保證墩、梁有足夠的承載力和延性外，還要保證橋梁結(jié)點有足夠的承載力，避免結(jié)點過早破壞，因此，要加強(qiáng)結(jié)點的抗震加固；七是橋梁抗震新方法。就是用建筑工程中常用的隔震方法在公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計上，安裝隔震裝置、耗能裝置和吸震裝置來達(dá)到防震、抗震目的，以隔震、減震和制震技術(shù)為特點的結(jié)構(gòu)控制設(shè)計理論與實踐彌補(bǔ)上了傳統(tǒng)抗震設(shè)計的不足，將消極抗震變?yōu)榉e極抗震，為公路橋梁防震、抗震設(shè)計注入了新的活力；八是對于地震區(qū)的橋型選擇，宜按下列幾個原則進(jìn)行：要盡量減輕結(jié)構(gòu)的自重和降低其重心，以減小結(jié)構(gòu)物的地震作用和內(nèi)力，提高穩(wěn)定性，力求使結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量中心與剛度中心重合，以減小在地震中因扭轉(zhuǎn)引起的附加地震力，應(yīng)協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)物的長度和高度，以減少各部分不同性質(zhì)的振動所造成的危害作用，適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)剛度，使用延性材料提高其變形能力，從而減少地震作用，要加強(qiáng)地基的調(diào)整和處理，以減小地基變形和防止地基失效。

結(jié)束語

綜上所述，雖然目前地震還是不可有效的預(yù)測，但是只要我們通過研究認(rèn)識到地震對結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律，我們就能通過一定的抗震設(shè)防原則來制定相關(guān)的抗震設(shè)防措施，并控制好施工質(zhì)量，這樣就能盡量減低震害的影響。

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