橋梁抗震設(shè)計(jì)與加固

張一王敏　張民

【摘 要】選擇合理恰當(dāng)?shù)臉蛄嚎拐鹪O(shè)計(jì)方法是保證公路橋梁安全運(yùn)營(yíng)的基本前提。首先介紹了我國(guó)的橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，然后分析了幾種常用抗震設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最后簡(jiǎn)述了在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題和抗震加固措施，以期對(duì)實(shí)際橋梁工程提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】橋梁抗震；設(shè)計(jì)方法；抗震加固

【Abstract】Reasonable and proper seismic design method of bridge is the basic premise to guarantee the safe operation of highway bridge. Firstly， the bridge seismic fortification standards in our country is introduced， then analyzing the advantages and disadvantages of several common seismic design method， finally describing the several problems preserved to be paid attention to in the seismic design and aseismic reinforcement measures， in order to provide reference to the practical bridge project.

【Key words】Bridge seismic resistance；Design method；Seismic retrofit

0 引言

在如今世界各地聯(lián)系日益密切的時(shí)代，公路交通運(yùn)輸發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在整個(gè)公路網(wǎng)系統(tǒng)中，橋梁往往是其中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，一旦受到破壞，將會(huì)造成無(wú)法估量的生命財(cái)產(chǎn)損失。近十幾年來(lái)，我國(guó)地震發(fā)生頻頻，2008年汶川地震，2010年青海玉樹(shù)地震，2013年雅安地震。其中汶川地震是我國(guó)近幾年來(lái)發(fā)生的造成后果最嚴(yán)重的地震，其震級(jí)之高、波及范圍之廣、受災(zāi)人數(shù)之多都是世所罕見(jiàn)的。地震發(fā)生之后，震區(qū)中大多數(shù)橋梁被破壞，公路交通中斷，救災(zāi)人員和物資無(wú)法及時(shí)運(yùn)至災(zāi)區(qū)，導(dǎo)致地震發(fā)生之后的次生災(zāi)害影響嚴(yán)重，給抗震設(shè)防留下了極其慘痛的教訓(xùn)。鑒于地震給予我國(guó)帶來(lái)的巨大損失和災(zāi)難，我國(guó)橋梁抗震研究專家經(jīng)過(guò)不懈努力，已經(jīng)將我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)方法逐步從單水準(zhǔn)單階段設(shè)計(jì)發(fā)展為雙水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)，抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也實(shí)現(xiàn)了從單一、簡(jiǎn)略到系統(tǒng)、詳細(xì)的跨越。

1 橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

橋梁抗震設(shè)計(jì)主要包括抗震設(shè)防水準(zhǔn)的確定、抗震計(jì)算分析、抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面.這里首先簡(jiǎn)要介紹我國(guó)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，然后分析了幾種常用抗震設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為實(shí)際工程中橋梁抗震設(shè)計(jì)方法的選擇提供參考。

1.1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)的橋梁抗震設(shè)防設(shè)計(jì)核心思想為“小震不壞、中震可修、大震不倒”，即橋梁在較小地震下不發(fā)生損壞或輕微損壞；在較大地震作用下發(fā)生損壞但經(jīng)過(guò)修復(fù)之后仍能正常使用；在強(qiáng)烈地震作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞但橋梁支撐構(gòu)件未發(fā)生倒塌。最新橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定我國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)為雙水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)。雙水準(zhǔn)設(shè)計(jì)是指在E1 地震作用和E2 地震作用下設(shè)計(jì)。E1地震作用一般是指重現(xiàn)期為475年以下的地震，E2地震作用是指重現(xiàn)期約為2000年的地震；兩階段設(shè)計(jì)是指“彈性設(shè)計(jì)階段”和“延性設(shè)計(jì)階段”。

1.2 抗震設(shè)計(jì)方法

自上世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)橋梁專家在抗震設(shè)防領(lǐng)域的研究就一直沒(méi)有停息，橋梁抗震設(shè)計(jì)方法也在不斷地改進(jìn)與發(fā)展，由最初的強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)到如今的位移、延性控制乃至基于性能和能量的設(shè)計(jì)方法。然而，基于性能和能量的設(shè)計(jì)方法目前還處于研究階段，在工程應(yīng)用中還不廣泛。目前世界各國(guó)普遍采用的抗震分析方法還是基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，主要包括靜力法、反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法、Push-over分析法等。靜力法是假定橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下具有和地震動(dòng)一樣的加速度，將此加速度產(chǎn)生的慣性力作用在橋梁上，由此得到橋梁的內(nèi)力圖，從而進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。靜力法概念清晰、容易理解、計(jì)算簡(jiǎn)便卻沒(méi)有考慮橋梁自身的變形和動(dòng)力特性，只適用于橋臺(tái)和擋土墻等質(zhì)量較大的剛性結(jié)構(gòu)。反應(yīng)譜法是將結(jié)構(gòu)所在場(chǎng)地給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為地震動(dòng)輸入得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的方法。作為目前應(yīng)用最廣泛的抗震設(shè)計(jì)方法，它沒(méi)有考慮地震作用的隨機(jī)性，本質(zhì)上仍是線彈性分析，不能得到結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑形狀態(tài)或構(gòu)件開(kāi)裂后的內(nèi)力、變形、周期等特征。時(shí)稱分析法主要適用于大跨度或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁，與以上兩種抗震分析方法相比，它可以得到地震作用每一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和加速度等動(dòng)力特征，還可以模擬復(fù)雜的樁—土作用。然而，時(shí)稱分析法所依據(jù)的加速度記錄只代表以前的地震作用大小，并不能說(shuō)明未來(lái)此地的地震大小如何。Push-over分析法又稱彈塑性靜力分析或倒塌分析，它是在結(jié)構(gòu)模型上施加按某種規(guī)則分布的水平側(cè)向力來(lái)代替地震作用，單調(diào)加載并逐漸增大，一旦有構(gòu)件開(kāi)裂或屈服自動(dòng)修改結(jié)構(gòu)剛度矩陣以進(jìn)行下一步計(jì)算，一直循環(huán)到結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定狀態(tài)，從而判斷是否滿足抗震能力要求。因其計(jì)算時(shí)間短、輸入數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，所以在今后抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展中有著很大的發(fā)展空間。除此之外，大連理工大學(xué)林家浩教授提出的虛擬激勵(lì)法作為一種新的分析結(jié)構(gòu)隨機(jī)震動(dòng)的方法在工程抗震領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。這種方法可以將地震的隨機(jī)作用轉(zhuǎn)化為確定性的時(shí)程分析，從而可以用常用的動(dòng)力分析方法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)作用的求解，而且其計(jì)算效率之高遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他抗震設(shè)計(jì)方法。

以上抗震分析方法都有各自的特點(diǎn)，在實(shí)際橋梁抗震分析中，應(yīng)根據(jù)工程本身的結(jié)構(gòu)和所要得到的結(jié)果需求來(lái)選取合適的抗震設(shè)計(jì)方法。由于地震的復(fù)雜性和不確定性，而且進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)所作的假定不一定與實(shí)際情況相符，所以不管所用的抗震設(shè)計(jì)方法多么先進(jìn)，得到的計(jì)算結(jié)果總是一種比較粗略的估計(jì)，過(guò)分地追求數(shù)值上的精確是不必要的。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，工程師們應(yīng)日益重視“概念設(shè)計(jì)”與“能力設(shè)計(jì)”思想，把基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法逐步轉(zhuǎn)變到基于位移和延性的設(shè)計(jì)方法，將減隔震設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)納為抗震設(shè)計(jì)的重要組成部分。endprint

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

在橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)之前，都應(yīng)搜集該地區(qū)發(fā)生過(guò)的地震記錄，地質(zhì)構(gòu)造特征、水文地質(zhì)情況，然后確定抗震設(shè)防等級(jí)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇橋梁的線形和結(jié)構(gòu)形式，確定設(shè)計(jì)理想塑性鉸的位置，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形計(jì)算分析，確認(rèn)可行后還要進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)，最后制定橋梁在地震中的應(yīng)急預(yù)案措施。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注意以下問(wèn)題：

（1）在沒(méi)有特殊要求下，橋軸線最好設(shè)計(jì)成直線，曲線橋梁在地震中的響應(yīng)相對(duì)復(fù)雜；橋軸線盡可能與河道垂直，這樣橋梁受力簡(jiǎn)單明確。

（2）對(duì)于跨越斷層等不良地質(zhì)的多跨橋梁，盡量選用簡(jiǎn)支體系，這樣不會(huì)出現(xiàn)一跨倒塌引起的多跨倒塌。

（3）如果河流兩岸基礎(chǔ)條件良好，并且兩側(cè)邊坡存在潛在地質(zhì)災(zāi)害，建議采用拱橋結(jié)構(gòu)。

（4）山區(qū)橋梁應(yīng)盡量避開(kāi)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)，加強(qiáng)橋梁附近山體邊坡防護(hù)。

（5）相比于墩柱，塑性鉸應(yīng)設(shè)置在梁體上；如必須在墩柱上設(shè)置塑性鉸，盡量設(shè)置在墩頂。

（6）橋梁的基礎(chǔ)避免設(shè)置在地震中易發(fā)生液化的地基上，防止基礎(chǔ)破壞引起的全橋垮塌。

（7）墩柱配筋設(shè)計(jì)中可適當(dāng)減小螺旋箍筋間距，以增大柱的抗彎性能和延性。

（8）適當(dāng)增大蓋梁和橋臺(tái)斷面使梁端有足夠的支撐面，避免發(fā)生落梁。

3 橋梁抗震加固及構(gòu)造措施

橋梁抗震加固的首要目的是防止橋梁垮塌，因?yàn)闃蛄阂坏┛逅?，將?huì)造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失，交通中斷維修救援物資無(wú)法及時(shí)到達(dá)，所以橋梁的抗震加固主要是墩柱的加固，這也契合了“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)思想。其次還包括上部結(jié)構(gòu)加固、支座加固和基礎(chǔ)加固等?，F(xiàn)今，針對(duì)橋梁各個(gè)部位的抗震加固主要有以下具體措施：

（1）橋墩加固。主要有鋼套筒包裹加固、纖維復(fù)合材料加固和增大截面加固等措施。鋼套筒加固和纖維復(fù)合材料加固都是將橋墩包裹起來(lái)，增大橋墩的橫向約束，減小橋墩的橫向變形，使塑性鉸的位置不會(huì)出現(xiàn)在柱身而是出現(xiàn)在柱端，從而防止了墩柱的倒塌。纖維復(fù)合材料相比鋼套筒有更高的強(qiáng)度和耐久性，并且簡(jiǎn)捷易行，同時(shí)適用于圓柱墩和矩形墩，而鋼套筒加固一般適用于圓形墩。但是纖維復(fù)合材料價(jià)格昂貴，應(yīng)用范圍還不廣泛，隨著其工藝的純熟和加工成本的降低，纖維復(fù)合材料加固有著更廣闊的應(yīng)用前景。增大截面加固即擴(kuò)大墩柱截面，提高其抗彎和抗剪承載力，減小墩柱的橫向變形，達(dá)到防止橋墩垮塌的目的。

（2）上部結(jié)構(gòu)加固。主要為防止落梁，一般會(huì)在梁的側(cè)面、端面或伸縮縫的位置設(shè)置擋塊，擋塊與梁體之間、梁端與橋臺(tái)之間填充柔性材料，在地震可起到耗能的作用；或?qū)⒘后w通過(guò)連桿與蓋梁錨固在一起，增加梁端支撐面寬度等。

（3）支座加固。采用減震、隔震的原理，將剛性支座換為具有耗能能力的支座，減小從地面?zhèn)鬟f到上部結(jié)構(gòu)的地震能，起到保護(hù)梁體的作用。常用的減隔震支座有鉛芯橡膠耗能支座、板式橡膠支座等。

（4）基礎(chǔ)加固。增大基礎(chǔ)底面面積，減小基低應(yīng)力；可以通過(guò)錨固措施將基礎(chǔ)與巖體錨固在一起，增強(qiáng)抗震穩(wěn)定性；增大基礎(chǔ)埋置深度，基礎(chǔ)上部土層越厚，其抗剪承載力和穩(wěn)定性越高。

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