淺析公路橋梁的抗震設(shè)計

江展圖

摘 要：橋梁工程，是交通運輸?shù)难屎恚趪医ㄔO(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，更是作為重要的生命線工程。文章分析橋梁結(jié)構(gòu)震害及其原因，探討公路橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)，提出公路橋梁抗震設(shè)防措施。

關(guān)鍵詞：公路橋梁；抗震設(shè)計；設(shè)防目標(biāo)；設(shè)防措施

1前言

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)难屎恚趪医ㄔO(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。

2橋梁結(jié)構(gòu)震害及其原因分析

要想建立正確的抗震設(shè)計方法、采取有效抗震措施，對公路橋梁震害及其產(chǎn)生的原因的調(diào)查和分析是必不可少的。從世界各國的地震震例統(tǒng)計資料看，公路橋梁的震害現(xiàn)象主要有以下幾種：一、對梁式橋梁地震位移造成上部活動節(jié)點處因蓋粱寬度設(shè)置不足導(dǎo)致落梁或梁體相互磁撞引起的破壞，而對拱式結(jié)構(gòu)則主要表現(xiàn)在拱上建筑和腹拱的破壞，拱嘲在拱頂、拱腳產(chǎn)生的破損裂縫，甚至整個隆起變形。二、由于地震造成的地基土液化，加大了地面位移從而加劇了結(jié)構(gòu)反應(yīng)，大大增大了落梁的可能性。三、對支座的抗震要求考慮不足造成支座發(fā)生過大的位移和變形從而造成支座本身構(gòu)造上的破壞等，進而對結(jié)構(gòu)的其他部位產(chǎn)生不利的影響。四、橋梁下部結(jié)構(gòu)抗力不足導(dǎo)致的地震時下部開裂、變形和失效，進而對全橋的不利影響。五、地震時使得在松軟地基上的橋梁在發(fā)生河岸滑移導(dǎo)致全橋長度的縮短而造成的比較嚴(yán)重的震害。

3公路橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)

公路工程對政治、經(jīng)濟、國防和抗震救災(zāi)具有特別重要的意義，地震時一旦發(fā)生破壞，將造成交通中斷，后果非常嚴(yán)重。進行公路工程抗震設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同等級公路的重要性程度，考慮重要性系數(shù)來計算水平地震作用。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，僅進行基本烈度下的抗震驗算，只進行設(shè)計地震力作用下的強度驗算，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烈地震作用下，往往因設(shè)計彎曲延性不足或塑性鉸區(qū)設(shè)計抗剪強度不足而發(fā)生彎剪破壞或剪切破壞。因此，單一的強度設(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”，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。第一階段設(shè)計：對于小震，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，并進行結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性驗算，滿足第一設(shè)防裂度對結(jié)構(gòu)強度、變形和穩(wěn)定性的要求，實現(xiàn)小震不壞。第二階段設(shè)計：對于中震，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。第三階段設(shè)計：對于大震，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)的倒塌機制，保證整體穩(wěn)定可靠度，實現(xiàn)大震不倒。上述三階段設(shè)計原則實際上規(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)，最大變形可能達到結(jié)構(gòu)的容許變形值，但始終不超過容許變形值。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。

4公路橋梁抗震設(shè)防措施

由于地震反應(yīng)的不確定性和橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中尚存在許多不定的因素?，F(xiàn)行的地震作用計算和結(jié)構(gòu)抗震計算的方法大都是具有一定概率水準(zhǔn)的近似方法，除了進行合理的抗震計算外。還應(yīng)采取有效的構(gòu)造措施來提高結(jié)構(gòu)抗震性能?！豆房拐鹨?guī)范》區(qū)分不同基本烈度，分別給出了橋梁結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施。通過限制構(gòu)件之間的位移，增強柱墩的強度、剛度和延性，加強結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性等方面來提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。近幾十年來，盡管世界各國都在改進橋梁設(shè)計方法方面做出了巨大的努力，但是在近年來發(fā)生的幾次大地震中，橋梁結(jié)構(gòu)仍然不同程度的遭到了的損害，這說明還有待進一步地完善橋梁的抗震設(shè)計理論。大量的震害資料表明，合理的結(jié)構(gòu)形式和成功的抗震設(shè)計，即合理的概念設(shè)計可以大大地減輕甚至避免震害的發(fā)生。一個是概念設(shè)計、一個是構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計。需要注意的是，這兩個東西其實和具體的抗震計算關(guān)系不大，計算只是輔助手段，只是驗證概念和細(xì)節(jié)的合理性。所以設(shè)計師需要的是對橋梁抗震設(shè)計基本概念和原理的深刻理解。從結(jié)構(gòu)上來說，要清楚哪些結(jié)構(gòu)有利于抗震，哪些結(jié)構(gòu)抗震不利，其中包括橋型、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、墩臺、基礎(chǔ)的處理等等。構(gòu)造細(xì)節(jié)措施則包括一些基本的抗震措施，比如支座的選擇、擋塊的設(shè)置等等，還包括構(gòu)件細(xì)節(jié)的構(gòu)造措施、比如墩的箍筋配置、節(jié)點配筋構(gòu)造。國內(nèi)外橋梁抗震研究人員一直都在研究橋梁的合理構(gòu)造措施，合理的構(gòu)造措施可以提高整體的延性及滯回耗能能力。在確定路線的總走向和主要控制點時，應(yīng)盡量避開基本烈度較高的地區(qū)和震害危險性較大的地段；在路線設(shè)計中，要合理利用地形，正確掌握標(biāo)準(zhǔn)，盡量采用淺挖低填的設(shè)計方案以減少對自然平衡條件的破壞。對于地震區(qū)的橋型選擇，宜按下列幾個原則進行：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，加強地基的調(diào)整和處理，以減小地基變形和防止地基失效。

5結(jié)語

雖然目前地震還不可有效的預(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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（作者單位：廣東省陽東縣建筑設(shè)計室）