淺談當(dāng)下橋梁的抗震設(shè)計(jì)

■李 輝 ■四川中恒工程設(shè)計(jì)研究院有限公司廣西分公司，廣西 南寧 530001

我國(guó)是一個(gè)地震發(fā)生頻率較高的國(guó)家，地震災(zāi)害的發(fā)生將會(huì)對(duì)地面建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，甚至造成大量的人員死亡，還會(huì)將交通阻斷。公路橋梁、鐵路橋梁壹級(jí)城市高架橋一旦遭到破壞，后續(xù)補(bǔ)救工作將會(huì)非常艱難。為了對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全及橋梁設(shè)施的完好進(jìn)行保證，同時(shí)將公路運(yùn)輸在抗震救災(zāi)中的作用更好的發(fā)揮出來(lái)，應(yīng)該在橋梁設(shè)計(jì)中對(duì)抗震設(shè)計(jì)加以重視。

1 橋梁震害現(xiàn)象分析

通過(guò)對(duì)我國(guó)震例的調(diào)查和研究，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的分析，可以對(duì)我國(guó)橋梁震害現(xiàn)象進(jìn)行以下分析:首先，地基與基礎(chǔ)破壞。地基破壞發(fā)生的原因主要有:不均勻沉降、穩(wěn)定性不足等，這些因素都可能會(huì)造成地層水平滑移、斷裂、下沉，最終結(jié)構(gòu)物遭到破壞。基礎(chǔ)破壞和地基破壞之間存在非常密切的關(guān)系，一旦地震對(duì)結(jié)構(gòu)周圍地基產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就會(huì)變低，很容易出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降或者滑移現(xiàn)象，甚至可能出現(xiàn)剪斷、傾斜破壞等一系列現(xiàn)象，最終出現(xiàn)墩臺(tái)傾斜、折斷或者倒塌。其次，橋臺(tái)沉陷。地震發(fā)生時(shí)，如果橋臺(tái)后填土與橋臺(tái)并沒(méi)有完全固結(jié)在一起，填土縱向土壓力會(huì)增大，同時(shí)被動(dòng)土壓力會(huì)非常大，進(jìn)而出現(xiàn)橋臺(tái)向橋跨方向移動(dòng)的趨勢(shì)。加上受到橋面支撐作用的影響，橋臺(tái)會(huì)產(chǎn)生豎向旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)破壞。第三，墩柱破壞。主要涉及到彎曲延性不足、剪切強(qiáng)度不足、彎曲強(qiáng)度不足等，通常會(huì)引起連鎖反應(yīng)。第四，支座破壞。在地震力的影響下，可能會(huì)拔出、剪斷支座錨固螺栓等，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力傳遞形式發(fā)生變化。第五，落梁破壞。當(dāng)支撐連接構(gòu)件失效后，結(jié)構(gòu)位移就會(huì)加大，梁體之間會(huì)出現(xiàn)相互沖擊，甚至落梁等現(xiàn)象的發(fā)生。

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展

2.1 基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)主要采用基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法主要是指將地震力作為靜荷載展開(kāi)結(jié)構(gòu)分析，然后將結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則定義為結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度是否達(dá)到極限狀態(tài)。此種方法的主要缺陷是，在強(qiáng)震作用下，要求構(gòu)件保持彈性狀態(tài)，從而導(dǎo)致造價(jià)高昂。

2.2 基于延性的抗震設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)的基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)理念的缺陷，很多學(xué)者提出了強(qiáng)震作用下將構(gòu)件進(jìn)入塑性工作范圍的理念進(jìn)行考慮，利用結(jié)構(gòu)的延性進(jìn)行抗震。這種設(shè)計(jì)方法主要利用地震力修正系數(shù)對(duì)反應(yīng)譜加速度的地震內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整，將不同結(jié)構(gòu)的延性需求反映出來(lái)。該方法的主要缺點(diǎn)是，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防水準(zhǔn)是一樣的，不能對(duì)重要性不同的構(gòu)件區(qū)別對(duì)待，也造成一定的浪費(fèi)。

2.3 基于性能的抗震設(shè)計(jì)

為克服基于延性的抗震設(shè)計(jì)方法的不足，抗震工程界提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念，其主要思想是:根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、用途及結(jié)構(gòu)破壞后引起的后果的嚴(yán)重性確定其性能目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上提出不同的抗震設(shè)防水準(zhǔn)，使用的過(guò)程中結(jié)構(gòu)具備預(yù)期的功能，使不同性能目標(biāo)要求得到滿足。該思想是一種基于投資和結(jié)構(gòu)使用效益的綜合平衡設(shè)防思想，在工程界中得到了廣泛贊同，但是因?yàn)槭艿降卣鹱饔眯?yīng)復(fù)雜性的影響，加上影響結(jié)構(gòu)性能因素的眾多，因此該抗震設(shè)計(jì)方法目前主要停留在概念設(shè)計(jì)階段。

2.4 基于位移的抗震設(shè)計(jì)

基于位移的抗震設(shè)計(jì)理念是:結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生變形，從而在宏觀上表現(xiàn)為位移。目標(biāo)位移的設(shè)置應(yīng)按照不同的地震設(shè)防水準(zhǔn)來(lái)設(shè)定，通過(guò)設(shè)計(jì)在給定水準(zhǔn)作用下結(jié)構(gòu)可以達(dá)到預(yù)先指定的目標(biāo)位移，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)其地震行為的有效控制。目前，基于性能的抗震設(shè)計(jì)主要往往是利用基于位移的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3 橋梁抗震設(shè)計(jì)措施

3.1 總體設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

這種抗震設(shè)計(jì)思想從概念設(shè)計(jì)入手，從宏觀上研究結(jié)構(gòu)抗震性能的合理性，從而降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的震害。在橋梁設(shè)計(jì)中，一般要注意以下問(wèn)題。

3.1.1 橋位選擇

橋位應(yīng)選在地質(zhì)穩(wěn)定、土體堅(jiān)硬的場(chǎng)地，避開(kāi)土體松軟的場(chǎng)地。如橋位受限，難以避開(kāi)土體松軟的場(chǎng)地，則盡量使橋梁與河道正交。在松軟地基上的一些特大橋、大中橋，在發(fā)生地震時(shí)很容易出現(xiàn)河岸滑移使橋臺(tái)向河心移動(dòng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致全橋長(zhǎng)度的縮短，如橋梁與河道斜交就會(huì)使得梁體在地震中產(chǎn)生扭曲破壞。

3.1.2 橋型選擇

不同的結(jié)構(gòu)形式對(duì)地震的響應(yīng)是不一樣的，根據(jù)地震災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，縱向落梁占橋梁震害的絕大多數(shù)，約暫97%。因此在橋型選擇上宜選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體性好，有可靠縱向、橫向連接的橋型。如連續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)于簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，正交橋梁優(yōu)于斜橋、曲線梁橋。

3.1.3 橋孔布置

在橋孔布置時(shí)，應(yīng)兼顧防震能力與通過(guò)能力，以防震能力為主。一般來(lái)說(shuō)，在地震多發(fā)地帶宜采用等跨橋孔布置方式，兩側(cè)橋孔對(duì)稱，同時(shí)采用低矮的橋墩。橋梁整體設(shè)計(jì)在滿足使用要求的前提下，盡量減少梁體重量，減少?zèng)]必要的附屬結(jié)構(gòu)，以簡(jiǎn)潔為主。

3.2 橋梁抗震構(gòu)造的措施

(1)加強(qiáng)橋梁的整體性，避免落梁。針對(duì)常規(guī)梁橋來(lái)說(shuō)，應(yīng)加強(qiáng)橋梁縱向聯(lián)系，適當(dāng)增加梁寬以防止主梁出現(xiàn)位移落梁的現(xiàn)象，同時(shí)還應(yīng)對(duì)墩臺(tái)頂蓋梁、支座的寬度適當(dāng)?shù)募訉?，并適當(dāng)增設(shè)抗震擋塊等裝置。

(2)注重結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，避免扭曲破壞。橋梁總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意連續(xù)跨內(nèi)下部墩身剛度相近，跨徑對(duì)稱布設(shè)，從而減小地震作用下的扭曲效應(yīng)。此外，應(yīng)對(duì)地震區(qū)橋跨設(shè)計(jì)長(zhǎng)度進(jìn)行注意，以避免出現(xiàn)墩柱承受軸向力過(guò)大的現(xiàn)象，最終使墩柱的延性得到降低。

(3)消能、隔振設(shè)計(jì)。位于高烈度區(qū)的橋梁，應(yīng)將消能裝置設(shè)置在縱向位置上，還可以將結(jié)構(gòu)阻尼設(shè)置在梁體或者墩臺(tái)位置上，形成消能機(jī)制。

(4)加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛度。如果橋梁位于可能發(fā)生地震液化的地基上，可是采用深基礎(chǔ)，使樁穿過(guò)可能液化的土層，并將其埋人較穩(wěn)定密實(shí)的土層內(nèi)一定深度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在現(xiàn)在我國(guó)的鐵路、公路大規(guī)模建設(shè)過(guò)程中，橋梁結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題已經(jīng)引起大家的關(guān)注。在橋梁設(shè)計(jì)中一定要采取合理的抗震措施，從而促進(jìn)橋梁適用性、耐久性、安全性的進(jìn)一步完善與提升。

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