城市橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計問題分析研究

馬豪

摘要：本文圍繞城市橋梁結(jié)構(gòu)安全、地震損傷有效控制、降低震災(zāi)損失等方面，分析問題、總結(jié)方法，開展基于性能的抗震設(shè)計方法在城市高架橋梁工程的應(yīng)用與推廣，為今后城市橋梁抗震設(shè)計和安全運行設(shè)計依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：城市化；城市橋梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震設(shè)計

隨著城市化進程的快速推進，城市橋梁在城市交通中的地位愈發(fā)重要。因此，城市橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計以及抗震設(shè)計成為重中之重。城市橋梁地震災(zāi)害成因主要有兩方面，一是在地震中如果支承連接件不能承受地震對構(gòu)件造成的相對位移，支承連接件就可能損壞失效。二是地震對橋墩和橋臺結(jié)構(gòu)的破壞。早期的抗震設(shè)計只以結(jié)構(gòu)不破壞倒塌作為設(shè)計目標，但地震對橋梁產(chǎn)生嚴重結(jié)構(gòu)破壞后，一方面對城市交通產(chǎn)生嚴重影響，另一方面會造成巨大的經(jīng)濟損失?，F(xiàn)代橋梁抗震設(shè)防應(yīng)采用性能設(shè)計原則，特別是要加強橋梁結(jié)構(gòu)整體和提高鋼筋混凝土橋墩的延性能力。

一、城市橋梁抗震設(shè)計現(xiàn)狀

近年來，我國城鎮(zhèn)建設(shè)步伐不斷加快，城市道路橋梁設(shè)施發(fā)展迅速，截止 2013 年年底，全國共有城市道路33.6萬km、城市橋梁近6萬座。部分城市發(fā)生橋梁倒塌、路面塌陷等事故時有發(fā)生，從而暴露出城市道路橋梁設(shè)施質(zhì)量水平、養(yǎng)護管理、安全隱患等諸多問題，更有城市橋梁設(shè)計壽命與實際使用壽命存在較大差異等不良現(xiàn)象。為了保障城市道路橋梁運行安全以及人民群眾利益，作為城市建設(shè)的參與者，應(yīng)在工程實踐中不斷改進和完善橋梁抗震設(shè)計，進行積極有效的抗震構(gòu)造措施設(shè)計，提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力和耐久性，保證橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全和使用壽命。

二、城市橋梁的抗震設(shè)計

目前主要有兩種有效途徑來提高橋梁的抗震安全性能 ，一是提高橋梁結(jié)構(gòu)本身的抗震能力，譬如提高橋墩的延性、樁基礎(chǔ)的強度等。延性抗震設(shè)計是通過提高橋梁的彈塑性變形能力，保證結(jié)構(gòu)在地震中在設(shè)計的位置上形成塑性鉸或者一些構(gòu)件的破壞，使結(jié)構(gòu)整體具有免于發(fā)生倒塌的滯回延性能力，結(jié)構(gòu)在地震中通過反復(fù)的變形耗散能量，并且適應(yīng)地震中的變形以達到抗震的目的。二是采用減隔震方法，利用減隔震裝置耗散地震能量、延長結(jié)構(gòu)周期，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性。減隔震抗震設(shè)計的本質(zhì)和目的就是將結(jié)構(gòu)與可能引起破壞的地面運動盡可能分離開來。要達到這個目的，可通過延長結(jié)構(gòu)的基本周期，避免地震能量比較集中的區(qū)域，從而減低結(jié)構(gòu)的地震力，但通過延長結(jié)構(gòu)周期達到折減地震力會伴隨著結(jié)構(gòu)位移的增大。為了控制結(jié)構(gòu)的大變形可通過在結(jié)構(gòu)中引入阻尼裝置，以限制結(jié)構(gòu)的位移。為了達到以上的功能，就需要結(jié)構(gòu)具有一定的柔度延長周期，一定的耗能能力降低變形以及一定的剛度和屈服力滿足正常使用。

三、城市橋梁構(gòu)造措施設(shè)計

（一）橋梁基礎(chǔ)設(shè)計。

結(jié)合巖土工程勘察報告，對存在液化土層的地基，根據(jù)橋梁的抗震設(shè)防分類、地基的液化等級（液化土層深度和厚度），采取全部消除或部分消除、減輕液化影響的基礎(chǔ)設(shè)計形式。當(dāng)采用長樁基時，應(yīng)保證樁端伸入液化深度以下穩(wěn)定土層中的長度；當(dāng)采用深基礎(chǔ)時，基礎(chǔ)底面應(yīng)埋入液化深度以下的穩(wěn)定土層中（深度≥ 2 m）；當(dāng)采用加密法或換土法處理時，在基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度，應(yīng)超過基礎(chǔ)底面處理深度的1/2且大于等于基礎(chǔ)寬度的1/5。通過選擇合適的基礎(chǔ)埋置深度、調(diào)整基礎(chǔ)底面積、減少基礎(chǔ)偏心、加強基礎(chǔ)整體性和剛性、減輕荷載、增強上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和均勻?qū)ΨQ性等設(shè)計措施，提高橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的抗震能力。

（二）橋臺抗震措施設(shè)計。

對淺基礎(chǔ)的小型橋梁，通過加強下部基礎(chǔ)支撐梁和河床鋪砌，使橋梁結(jié)構(gòu)保持四鉸框架結(jié)構(gòu)，以防止墩臺在地震發(fā)生時滑移。當(dāng)?shù)鼗鶙l件允許時，盡量選用整體性強的重力式 U 型或空腹式橋臺。當(dāng)臺身高度較高時，宜采用樁柱或肋板埋置式橋臺，加強和完善臺后防水和排水措施設(shè)置。

（三）橋墩抗震措施設(shè)計。

采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)丶哟髽?、柱直徑或采用雙排的柱式墩和排架柱墩，樁、柱間設(shè)置橫系梁等連接措施，以便提高墩柱的抗彎延性和抗剪強度。在墩柱塑性鉸區(qū)域和緊鄰承臺的樁基適當(dāng)范圍內(nèi)進行箍筋加密。明確墩柱塑性鉸區(qū)域范圍，不應(yīng)在塑性鉸區(qū)域進行縱向鋼筋的連接。塑性鉸箍筋加密區(qū)的長度不應(yīng)小于墩柱彎曲方向截面寬度的1.0 倍或墩柱上彎矩超過最大彎矩80%的范圍。矩形箍筋應(yīng)設(shè)置135彎勾，并伸入核心混凝土之內(nèi)6ds以上（ds為縱向鋼直徑）。增加墩柱縱向鋼筋配筋率，墩柱縱向鋼筋之間的距離≤20cm，至少每隔1根宜用箍筋或拉筋固定。墩柱縱向鋼筋的錨固和搭接長度應(yīng)在現(xiàn)行JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》要求的基礎(chǔ)上增加10ds。

（四）支撐連接構(gòu)件抗震措施設(shè)計。

墩臺蓋梁頂面設(shè)置防止落梁措施，增加縱橫向抗震擋塊，以限制地震發(fā)生時支座過大的位移與滑動。正確選用橋梁支座類型。對重點設(shè)防類大型橋梁，必要時可采用抗震或減隔震支座，提高橋梁結(jié)構(gòu)整體抗震設(shè)防的能力。設(shè)計選取伸縮縫時，應(yīng)保證其變形能力能夠滿足預(yù)計地震產(chǎn)生的位移，保證伸縮縫支承面具有足夠的寬度，并設(shè)置限位器和剪力鍵。

（五）上部結(jié)構(gòu)抗震措施設(shè)計。

在上部結(jié)構(gòu)梁（板）底部加焊鋼板，采用縱橫向約束裝置限制上部結(jié)構(gòu)位移。在梁與梁之間和梁與橋臺胸墻之間應(yīng)設(shè)置彈性墊塊，以緩和地震的沖擊力。當(dāng)采用多跨簡支梁結(jié)構(gòu)時，應(yīng)加強梁（板）之間的縱橫向連接，設(shè)置橋面連續(xù)，或采用先簡支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。

四、結(jié)語

目前，橋梁抗震設(shè)計雖然已經(jīng)取得一定成果，但仍存在諸多問題，因此，還需要相關(guān)專業(yè)人員，根據(jù)實際經(jīng)驗、定性研究以及理論成果來構(gòu)建合理的城市橋梁抗震設(shè)計方案，不斷深化、優(yōu)化設(shè)計，從而保障橋梁結(jié)構(gòu)具有安全可靠的抗震體系。由于技術(shù)的不斷發(fā)展革新，隔震、減震以及耗能技術(shù)已經(jīng)逐漸開始應(yīng)用到橋梁抗震設(shè)計中，并取得了一定的實際效果，積累了初步經(jīng)驗，從發(fā)展的角度開看，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，我們有能力、有必要深入研究橋梁抗震中的減震、隔震和耗能技術(shù)，從而最大程度的提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力，為現(xiàn)代城市發(fā)展做出貢獻。

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