大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

劉 凡

（江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210014）

大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

劉 凡

（江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210014）

伴隨我國城市化進(jìn)程的加快，全國各地的交通體系越來越完善，尤其是公路、橋梁的建設(shè)方面，大跨度橋梁的數(shù)量也逐漸增多，為了確保大跨度橋梁工程的安全性和可靠性，必須做好抗震設(shè)計(jì)工作。文章結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，對(duì)大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)問題進(jìn)行了分析。

大跨度橋梁；抗震設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；交通體系；地震災(zāi)害

近幾年，我國地震災(zāi)害的發(fā)生越發(fā)頻繁，地震災(zāi)害對(duì)整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全都造成了嚴(yán)重危害，為了滿足當(dāng)今時(shí)代社會(huì)的發(fā)展對(duì)交通運(yùn)輸?shù)男枨?，大跨度橋梁工程已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，與普通橋梁相比，大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)要求更高，因此必須高度重視這項(xiàng)工作。

1 大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

相對(duì)于普通的橋梁來說，大跨度橋梁地震反應(yīng)譜比較復(fù)雜，抗震設(shè)計(jì)的要求相對(duì)比較高，整個(gè)設(shè)計(jì)過程具有一定的技術(shù)難度，不僅需要考慮到高階陣型的影響，同時(shí)還要綜合考慮到行波效應(yīng)、多點(diǎn)激振等因素。由于大跨度橋梁在反應(yīng)上存在多變性，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)也提出了多樣性的要求。現(xiàn)階段，我國出臺(tái)的諸多橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范文件中，大部分內(nèi)容都是針對(duì)普通中等跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)上的要求，有關(guān)大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)的規(guī)定比較少，與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國在大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)上還處于初級(jí)階段，諸多問題還有待解決。近幾年，我國出臺(tái)的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，所有地震烈度達(dá)到7度以上的地區(qū)，都必須進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)，要求橋梁工程抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“小震不壞、中震可修、大震不倒”的基本原則。

2 大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)通常分為兩個(gè)階段：第一階段是方案的設(shè)計(jì)階段，主要工作是進(jìn)行抗震概念的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)抗震結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)合理；第二階段是技術(shù)設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì)階段，主要工作是進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)參照相關(guān)的公式、原理對(duì)抗震性能進(jìn)行驗(yàn)算，一般情況下還需要進(jìn)行橋梁減隔震設(shè)計(jì)。

2.1 橋梁減隔震設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般比較常見的策略是“抗震”，抗震設(shè)計(jì)方法可以在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的安全性，避免橋梁結(jié)構(gòu)坍塌現(xiàn)象的發(fā)生，但是從本質(zhì)上看這種抗震設(shè)計(jì)是不能完全規(guī)避地震危害的目的。事實(shí)已證明，橋梁一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)損傷是難以避免的，相比之下，結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在抗震上的效果要好得多，利用該技術(shù)只需將耗能支撐等裝置安裝在工程結(jié)構(gòu)某個(gè)部位或通過施加外力的手段，使橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征給予改變，以確保其結(jié)構(gòu)自身的安全性與可靠性。應(yīng)用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)不但可以大大提升結(jié)構(gòu)的抗震性能，還能節(jié)約工程投資造價(jià)的成本。在某些特殊情況下，只有運(yùn)用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，才能從根本上解決抗震問題。一般來說，結(jié)構(gòu)控制技術(shù)主要可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和混合控制三種類型。

減震和隔震是現(xiàn)階段大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較廣泛的兩種方法，減震主要是通過一些特殊的減震裝置或構(gòu)件來發(fā)揮抗震的作用，在遇到強(qiáng)烈地震的時(shí)候，將這些裝置提前放入到塑性區(qū)，使之產(chǎn)生較大的阻尼，可以大幅度消耗結(jié)構(gòu)體系中的能量，最終達(dá)到減震的目的。隔震主要是利用隔震體系來阻隔地震能量，使之不能進(jìn)入到橋梁的主體結(jié)構(gòu)，常見的減隔震裝置主要包括下面兩類：（1）分離型減隔震裝置，這類裝置包括橡膠支座＋粘性材、橡膠支座＋金屬阻尼器；（2）整體型減隔震裝置，這類裝置包括摩擦擺隔震制作、高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座。從減震方式上來看，減隔震技術(shù)和延性抗震二者具有極大的相似性，它們都是通過延長周期來達(dá)到避免地震能量集中的目的，但是二者的區(qū)別主要在于減隔震技術(shù)考慮的是怎樣降低傳輸?shù)綐蛄航Y(jié)構(gòu)上的地震能量，而延性抗震則是考慮的怎樣提高橋梁結(jié)構(gòu)自身抵御地震的能力。

2.2 延性抗震設(shè)計(jì)

延性抗震將結(jié)構(gòu)本身的延性耗能能力作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身及其構(gòu)件的延性，針對(duì)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中允許出現(xiàn)的塑性部分進(jìn)行獨(dú)立的延性設(shè)計(jì)，盡管在延性設(shè)計(jì)中允許出現(xiàn)一定程度的塑性變形、破損等，但必須確保橋梁的整體穩(wěn)定性不會(huì)受到影響，不會(huì)出現(xiàn)坍塌、沉降等后果。另外，設(shè)計(jì)人員還必須確保結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的滯后特性，這一特性能在一定程度上抵御因地震而帶來的彈塑性變形。根據(jù)延性抗震設(shè)計(jì)的思路，利用變形破壞準(zhǔn)則，設(shè)定一個(gè)破壞界限值，這一數(shù)值即為允許的最大變形值，要求結(jié)構(gòu)發(fā)生最大位移必須在這一界限值之內(nèi)。

2.3 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地震災(zāi)害本身具有一定的復(fù)雜性和不確定性，再加上每座橋梁實(shí)際情況和結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建之間存在一定的差異，這就導(dǎo)致計(jì)算設(shè)計(jì)很難達(dá)到應(yīng)有的抗震效果。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)不能完全把抗震計(jì)算的數(shù)值作為參考，而決定橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能最主要因素是“概念設(shè)計(jì)”，所以橋梁設(shè)計(jì)方案的選擇不能單純地參照靜力分析和功能要求就判斷方案取舍，必須考慮到橋梁整體結(jié)構(gòu)的抗震功能，盡量在滿足其他要求的前提下，選擇最為優(yōu)良的抗震結(jié)構(gòu)體系。抗震概念設(shè)計(jì)在多方面都具有較高的要求，尤其是在結(jié)構(gòu)上下部的連接處，應(yīng)將重點(diǎn)放在塑性鉸預(yù)期部位的選擇、過渡孔連接處的設(shè)計(jì)以及橋墩形式的選取上。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，必須站在整體的角度考慮，關(guān)注整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)在遇到地震時(shí)的反應(yīng)，并對(duì)地震破壞原理進(jìn)行深入地研究和分析，了解結(jié)構(gòu)破壞的整個(gè)過程及其特點(diǎn)。在抗震設(shè)計(jì)基本原則的選擇上應(yīng)靈活多變，既要確保整體結(jié)構(gòu)的抗震能力，也要保證細(xì)節(jié)部位的抗震性能。除了堅(jiān)持基本的原則外，還應(yīng)做到以下三個(gè)方面：（1）對(duì)能力保護(hù)構(gòu)件和延性的確認(rèn)；（2）把握好延性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的關(guān)系，使二者趨于平衡；（3）確保抵抗水平地震墩臺(tái)的位置和數(shù)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。為確保橋梁結(jié)構(gòu)體系在現(xiàn)場(chǎng)施工條件下具備較強(qiáng)的抗震性能，應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行全面的分析，包括地震反應(yīng)評(píng)估分析、動(dòng)力特征分析等，結(jié)合工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況以及抗震薄弱部位，考慮是否需要采取構(gòu)造或配筋設(shè)計(jì)手段來提高一些特殊部位抵御地震的能力，最后還應(yīng)當(dāng)按照分析得出的結(jié)果，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的抗震性能高低進(jìn)行評(píng)價(jià)，并確定是否需要適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

3 大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略

大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)工作，由于其實(shí)踐歷史不長，缺乏充足的經(jīng)驗(yàn)，很容易出現(xiàn)各種各樣的問題，為了確保大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)的科學(xué)性，就必須采取一定的優(yōu)化措施，具體來說，應(yīng)從以下七個(gè)方面著手：（1）如果橋梁所在地為強(qiáng)震區(qū)，則最好采用延性抗震和減隔震相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，這樣可以達(dá)到更好的抗震效果，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)節(jié)約、安全環(huán)保之選；（2）采用減隔震設(shè)計(jì)方法，要注意對(duì)工藝、材料的選擇，盡量采用各種新型工藝和材料，以免出現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)效果達(dá)不到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)的情況。在必要的時(shí)候，可借助非線性地震反應(yīng)來開展研究、分析和驗(yàn)證工作，一旦出現(xiàn)抗震性能驗(yàn)證不達(dá)標(biāo)的情況，應(yīng)立刻采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修改、糾正，然后需要對(duì)調(diào)整后的抗震能力進(jìn)行重新驗(yàn)算，直到符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)為止；（3）橋墩部位的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分發(fā)揮出箍筋的作用，因箍筋能使橋梁的墩柱具有更佳的約束力，適當(dāng)提高配箍率還可促進(jìn)墩柱延性的增強(qiáng)。當(dāng)發(fā)生地震的時(shí)候，配箍率越高，橋梁墩柱的底面截面塑性轉(zhuǎn)角就越大，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性；（4）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)者必須確保跨度標(biāo)準(zhǔn)的一致性，使下部墩身在強(qiáng)度和剛度上都趨于一致；（5）若在大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)中已經(jīng)采用了簡(jiǎn)支梁，則必須對(duì)橋面進(jìn)行適當(dāng)加固，確保橋梁的寬度和連續(xù)性符合標(biāo)準(zhǔn)，此外，為了降低墩臺(tái)位移情況出現(xiàn)的幾率，可以考慮采用增加隔檔的方式達(dá)到最佳效果；（6）設(shè)計(jì)者必須重視橋梁模式的選擇，盡量采用連續(xù)橋梁模式，降低簡(jiǎn)支梁使用的數(shù)量，進(jìn)而有效避免伸縮縫的出現(xiàn)以及落梁現(xiàn)象的發(fā)生；（7）在橋梁墩柱的延性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)利用墩柱的延性變形耗能，適當(dāng)減小墩底的彎矩，使其塑性轉(zhuǎn)角保持在極限塑性轉(zhuǎn)角以下，這樣能有效提升結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

綜上所述，大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)專業(yè)性、技術(shù)性的工作，該項(xiàng)工作的質(zhì)量將直接決定橋梁使用的安全性及其使用年限，因此設(shè)計(jì)人員必須高度重視大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)工作，全面掌握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，包括減隔震設(shè)計(jì)、延性設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，并根據(jù)橋梁工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，綜合考慮各方面的影響因素，這樣才能最大限度地提高大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可行性，確保橋梁的使用壽命。

[1]葉愛君，胡世德，范立礎(chǔ)，等．大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)實(shí)用方法[J]．土木工程學(xué)報(bào)，2001，（1）.

[2]范曉明．大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)實(shí)用方法[J]．城市建設(shè)理論研究（電子版），2016，（8）.

[3]尹新元，李曉峰．大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)實(shí)用方法[J]．城市建設(shè)理論研究（電子版），2016，（15）.

（責(zé)任編輯：王 波）

U441

1009-2374（2017）12-0189-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.097

劉凡（1989-），男，甘肅人，江蘇緯信工程咨詢有限公司助理工程師，研究方向：公路、市政道路橋梁工程。

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