公路橋梁抗震設(shè)計要點

(1.中國市政工程西南市政研究總院有限公司 四川 成都 610081；2.中交天津航道局有限公司 天津 300450)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的騰飛，我國交通運輸也發(fā)展迅速，橋梁作為交通運輸線路中的重中之重。橋梁作為跨越障礙的重要結(jié)構(gòu)，它能縮短交通線路節(jié)約線路造價費用。一座優(yōu)秀的橋梁不僅能滿足使用荷載，也能應(yīng)對突發(fā)狀況所帶來的額外荷載。地震荷載的突發(fā)性讓橋梁的受力荷載變得多變且不可估算。目前地震作用的計算依然是不能完全精確的，因為地震作用的大小計算需要考慮的層面多，就目前階段只能用一個近似值進(jìn)行代替計算，還需要更為精確可靠的方法來進(jìn)行地震荷載計算。由此為橋梁抗震設(shè)計帶來了巨大的難度，橋梁的抗震設(shè)計是一座橋梁的重要環(huán)節(jié)，橋梁若能有一個可靠的抗震設(shè)計，那么在面對突發(fā)地震的狀況下就能保證這一段交通的通暢，并且能將震后的橋梁修復(fù)工作帶來巨大方便，將經(jīng)濟(jì)損失降低到最小。對于橋梁抗震這一領(lǐng)域，大多數(shù)國家還處于空白狀態(tài)，只有少部分國家投入了深入研究，但是成果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以應(yīng)對實際的抗震預(yù)期效果。橋梁是交通運輸線路中不可或缺的一部分，并且造價昂貴，每一次地震造成的橋梁坍塌都對國民經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失，橋梁抗震研究工作刻不容緩，如果能在這一方面取得突破，對日后橋梁設(shè)計工作將是最大的助益。

一、國內(nèi)外橋梁抗震研究現(xiàn)狀

(一)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國是橋梁建造大國，并且也是橋梁使用大國，在線路中現(xiàn)存的橋梁數(shù)量來看，我國橋梁的總長居于世界首位，在傳統(tǒng)橋梁的建造工藝也是居于世界領(lǐng)先水平。但是在橋梁抗震設(shè)計這一領(lǐng)域我國的工藝和技術(shù)明顯還有所欠缺，急需彌補(bǔ)這一空白。我國處于環(huán)太平洋和歐亞地震帶中，處于地震頻發(fā)區(qū)，這對我們交通線路中的橋梁來說是一個重大的威脅，為此我國相關(guān)工作人員也進(jìn)行了相關(guān)研究。我國橋梁抗震規(guī)范也單獨列出，并不斷完善，但是具體抗震細(xì)則還是十分模糊不清，相比建筑抗震規(guī)范還不夠詳細(xì)，具體的抗震施工工藝，尺寸技術(shù)要求等還沒有給出詳細(xì)的規(guī)定，這讓橋梁設(shè)計人員在橋梁抗震設(shè)計時不好制定標(biāo)準(zhǔn)，讓可操作性大大降低。

(二)國外研究現(xiàn)狀

國外在橋梁抗震這一方面最初也是不重視，但是經(jīng)過多次地震后造成的橋梁破壞中看到了橋梁抗震設(shè)計的重要性，從而開始了橋梁抗震性能研究。國外在抗震規(guī)范中對抗震細(xì)則方面規(guī)定十分詳細(xì)，對抗震設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)劃分，具體到了不同橋梁部位的抗震設(shè)計。國外專家學(xué)者在這一方面也提出了許多開創(chuàng)性的理論。對地震分析更是提出了靜力法、反應(yīng)譜法等基礎(chǔ)理論，為后人的橋梁抗震研究提供了扎實的理論基礎(chǔ)。國外對橋梁的細(xì)部設(shè)計相當(dāng)重視，他們認(rèn)為細(xì)部設(shè)計也決定著橋梁的抗震性能，并且也規(guī)定了相應(yīng)的具體參數(shù)要求。

二、橋梁抗震措施

(一)橋梁抗震擋塊

橋梁抗震擋塊是橋梁中限制橋橫向位移的重要部分，我國對橋梁抗震擋塊一直只是作為一種抗震構(gòu)造來認(rèn)識的，但是在國外，抗震擋塊已經(jīng)作為了一個重要的抗震結(jié)構(gòu)來進(jìn)行規(guī)定。擋塊一般分為內(nèi)擋塊和外擋塊，內(nèi)外擋塊厚度不同，內(nèi)部擋塊較薄，外部擋塊較厚，在地震發(fā)生時梁體發(fā)生橫向位移與擋塊發(fā)生碰撞，內(nèi)部擋塊發(fā)生破壞，消耗一部分能量，外部擋塊作為最后的保障防止發(fā)生落梁[1-2]。國外對擋塊研究已經(jīng)細(xì)致到了對擋塊具體受力分析層面。通過具體計算公式計算出擋塊的受力大小來進(jìn)行擋塊鋼筋混凝土的配比。

(二)橋梁減震和隔震

地震作用是通過地震波的形式在地層中傳播然后由地基土傳遞給橋梁結(jié)構(gòu)的，目前我們采用增加阻尼器增大阻尼效應(yīng)，盡可能地降低地震作用的不利影響。由于橡膠支座的發(fā)明，也為減震技術(shù)提供了新的方法，橡膠作為一種新型材料，克服了傳統(tǒng)鋼筋混凝土不能克服的難題[5]。橡膠可以通過剪切變形實現(xiàn)平面的位移，還能夠通過不均勻壓縮實現(xiàn)轉(zhuǎn)角位移，這些性能都是鋼筋混凝土支座所不具備的。橡膠支座位移的靈活性給橋梁上部結(jié)構(gòu)有了更大的位移空間。

(三)抗震加固技術(shù)

由于歷史原因和技術(shù)原因，許多已經(jīng)修建好了的橋梁在設(shè)計的時候并沒有考慮到抗震性能，或者在橋梁選址的時候沒有掌握到處于地震區(qū)，但是橋梁已經(jīng)修建好，想要進(jìn)行后續(xù)的抗震性能彌補(bǔ)，又或者橋梁遭受了地震作用需要提高橋梁的抗震性能，這時候就需要橋梁抗震的加固。橋梁抗震加固技術(shù)可以采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，或者給墩柱加套筒的方式來提高橋梁的抗震性能[6]。

(四)橋梁延性設(shè)計

橋梁延性設(shè)計對于橋梁的抗震性能也是至關(guān)重要，橋梁墩柱在地震作用發(fā)生時產(chǎn)生一定的塑性鉸和輕微轉(zhuǎn)角傾斜對橋梁的整體安全性都是有幫助的。橋梁的延性設(shè)計是通過剛度的恰當(dāng)分配，避免了墩柱在強(qiáng)烈地震作用下的破壞，在地震發(fā)生時橋梁的上部結(jié)構(gòu)破壞相比下部結(jié)構(gòu)的破壞來講，橋梁下部結(jié)構(gòu)的破壞有可能導(dǎo)致整座橋梁的破壞，并且在破壞后的修復(fù)是相當(dāng)難的。上部結(jié)構(gòu)的破壞在修復(fù)的經(jīng)濟(jì)性來說是可以接受的，但是下部結(jié)構(gòu)的破壞是嚴(yán)重的[3-7]。

傳統(tǒng)設(shè)計是從增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度來考慮提高抗震安全性，但是通過實際發(fā)生的橋梁震害可以發(fā)現(xiàn)這種方法并沒有取得明顯的效果。所以設(shè)計者開始通過提高橋梁延性，在不影響實際使用功能的條件下讓橋梁發(fā)生一定的變形，通過變形消耗一部分地震能量，對橋梁的整體安全是有保護(hù)作用的。

三、斷層地區(qū)橋梁抗震設(shè)計

(一)斷層對橋梁的影響

斷層是地震活躍多發(fā)地，一座橋梁的設(shè)計選址應(yīng)該避免在這種地方，但是由于各種考慮，又不得不要在這種地方選址時，就要充分考慮到斷層影響。斷層在地震發(fā)生的時候，地表運動是劇烈的，代表在地震動的作用下產(chǎn)生不容忽視的較大相對位移，這時候牽動橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生拉扯，很容易對橋梁發(fā)生功能性的破壞。因為地質(zhì)勘探的不徹底或者技術(shù)的不成熟對已經(jīng)在斷層上修建的橋梁我們必須要進(jìn)行后續(xù)的抗震設(shè)計補(bǔ)救，盡量提高橋梁在發(fā)生地震時的安全性。

(二)斷層地區(qū)土體與基礎(chǔ)的聯(lián)系

斷層地方發(fā)生地震作用時，最大的特征就是地表比其他地方更加活躍，最本質(zhì)的聯(lián)系就是土體傳到橋梁結(jié)構(gòu)的地震作用。研究土體和橋梁基礎(chǔ)的聯(lián)系具有深遠(yuǎn)意義，只有清楚地震是怎樣在土中傳到基礎(chǔ)的，才能完整地分析出地震能量的傳遞過程[8]。土體是一個復(fù)雜的導(dǎo)體，土的性質(zhì)十分復(fù)雜，土的類型不同、土的濕度不同、土的厚度不同都對更方面的性質(zhì)會產(chǎn)生巨大的影響。土和基礎(chǔ)的聯(lián)系也就十分難以研究，因此我們在斷層地區(qū)不可避免要建造橋梁時也應(yīng)該要選擇單一優(yōu)質(zhì)的土體作為地基土，這樣對后續(xù)的抗震傳遞計算也會帶來方便，當(dāng)然這需要結(jié)合地質(zhì)勘查工作者的精確勘探，所以橋梁的抗震設(shè)計工作也包含了不同領(lǐng)域的合作。

(三)斷層區(qū)橋梁擋塊的設(shè)計

對于斷層區(qū)橋梁擋塊設(shè)計關(guān)系到橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的安全性，在設(shè)計混凝土擋塊時，將橡膠貼在靠近梁的一側(cè)，起到緩沖消能的作用，橡膠成凹凸?fàn)畋砻?，這是為了減少橡膠和梁體發(fā)生碰撞時的接觸面積，讓緩沖效果更加顯著。當(dāng)鋼筋混凝土擋塊不貼橡膠時，普遍采用向內(nèi)凸起的構(gòu)造，在彎起部位的混凝土內(nèi)部采用鋼筋截斷的形式，使得形成薄弱部位。在地震發(fā)生時，上部彎起擋塊部分先破壞，下部承受第二次沖擊。

四、結(jié)語

我國橋梁建設(shè)技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位，但是橋梁抗震方面一直是我們橋梁工程的薄弱環(huán)節(jié)，目前現(xiàn)有的規(guī)范太過籠統(tǒng)不夠細(xì)致，在重要的抗震施工技術(shù)方面和有關(guān)橋梁部位的尺寸規(guī)定上還沒有給出具體參數(shù)，這使得橋梁的抗震設(shè)計工作有一定難度。我國經(jīng)濟(jì)的騰飛離不開交通事業(yè)的發(fā)展，在目前地震頻發(fā)的狀況下，對橋梁的抗震設(shè)計研究有著巨大的意義。當(dāng)然我們專家學(xué)者在這一方面也取得了一定成果，但是同國外先進(jìn)水平來說還有較大的發(fā)展空間。未來的橋梁抗震設(shè)計將是評估橋梁性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。