山區(qū)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)與抗震加固措施研究

尹永杰

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司合肥分公司，合肥 230001）

1 引言

隨著基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，山區(qū)公路作為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工程，其建設(shè)步伐也逐年加快。但由于山區(qū)公路建設(shè)里程一般較長(zhǎng)，沿線的地形地貌差異較大、水文地質(zhì)條件也較為復(fù)雜，使得山區(qū)公路橋梁的設(shè)計(jì)難度相對(duì)于平原地區(qū)更大。近年來(lái)，我國(guó)地震頻發(fā)，如2008 年汶川地震、2010 年玉樹(shù)地震、2013 年雅安地震等。與此同時(shí)，橋梁作為山區(qū)公路的樞紐構(gòu)造物，如果橋梁因抗震設(shè)計(jì)方法不正確、抗震加固措施不合理、抗震性能達(dá)不到相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求而遭受破壞，可能直接或間接地引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。研究成果表明【1】，目前我國(guó)公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)方法從單水準(zhǔn)一階段設(shè)計(jì)慢慢發(fā)展至雙水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)，抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也從單一簡(jiǎn)略過(guò)渡到系統(tǒng)詳細(xì)，但針對(duì)山區(qū)公路橋梁的研究較少，研究成果往往也只具有明顯的地域性。因此，研究山區(qū)公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)方法和經(jīng)濟(jì)合理的抗震加固技術(shù)具有十分重要的意義。這樣不僅可以提高山區(qū)公路橋梁的建設(shè)水平，還可以推動(dòng)我國(guó)橋梁加固技術(shù)的發(fā)展，從而加強(qiáng)公路交通網(wǎng)的抗震減災(zāi)規(guī)劃能力。

2 山區(qū)公路橋梁的震害類型及成因

山區(qū)公路橋梁在遭受地震作用后，可能存在上部結(jié)構(gòu)震害、墩柱震害、基礎(chǔ)震害3 個(gè)方面，各種類型病害特點(diǎn)及原因如下。

2.1 上部結(jié)構(gòu)震害

山區(qū)公路橋梁的上部結(jié)構(gòu)震害按機(jī)理應(yīng)當(dāng)分為結(jié)構(gòu)震害和位移震害2 類，其中后者發(fā)生頻率更大。位移震害一般是指橋梁的上部結(jié)構(gòu)（主梁結(jié)構(gòu)、橋面、伸縮縫等）出現(xiàn)橫向或縱向位移。此外，如果上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移大于墩柱位移，則可能會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)整體受到嚴(yán)重?fù)p害，出現(xiàn)主梁破壞、“落梁”等病害，如圖1 所示。

圖1 山區(qū)公路橋梁上部結(jié)構(gòu)病害

2.2 墩柱震害

山區(qū)公路橋梁的墩柱震害可以劃分為剪力破壞和塑性鉸破壞2 類。主要原因在于：一方面，在反復(fù)的地震能量作用下，橋梁墩柱頂部和底部容易出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，從而失去其支撐力；另一方面，墩柱的承載力強(qiáng)度往往會(huì)隨著地震持續(xù)作用而大幅降低。

2.3 基礎(chǔ)震害

如果山區(qū)公路橋梁的地基受到地震能量的影響，砂土可能會(huì)出現(xiàn)液化現(xiàn)象，會(huì)使得地基土的部分或全部承載力喪失而破壞。同時(shí)，橋梁的基礎(chǔ)構(gòu)造物也會(huì)受到一定程度的不利影響，這種不利作用主要表現(xiàn)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的下沉、水平滑移、斷裂等病害。

3 山區(qū)公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)原則和方法

3.1 橋梁的抗震設(shè)計(jì)原則

根據(jù)相關(guān)橋梁病害調(diào)查結(jié)果可知【2】，很大一部分運(yùn)營(yíng)期間的山區(qū)公路橋梁同時(shí)出現(xiàn)橋墩、基礎(chǔ)等構(gòu)件抗震能力不足的問(wèn)題。如果對(duì)橋梁的支座、橋墩、蓋梁等構(gòu)件均展開(kāi)加固措施，會(huì)存在費(fèi)用較大、效率低、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，且橋梁構(gòu)建加固時(shí)會(huì)直接干擾到橋梁正常運(yùn)營(yíng)。鑒于此，筆者提出橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循以下2 個(gè)原則：（1）應(yīng)當(dāng)針對(duì)抗震能力較弱的橋梁構(gòu)件，從增強(qiáng)橋梁抗震能力和減弱橋梁地震反應(yīng)2 個(gè)途徑來(lái)制定經(jīng)濟(jì)合理的加固措施；（2）將橋梁局部構(gòu)件加固方案進(jìn)行比選，加固措施確定之前應(yīng)當(dāng)對(duì)橋梁正常使用條件的限制經(jīng)營(yíng)綜合考慮。

3.2 橋梁的抗震設(shè)計(jì)方法

目前，國(guó)內(nèi)外的山區(qū)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)方法處于持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展的狀態(tài)，已經(jīng)逐步呈現(xiàn)出從強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)過(guò)渡到位移、延性控制設(shè)計(jì)到性能和能量控制設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)【3】，但性能和能量控制設(shè)計(jì)僅僅是研究階段，在實(shí)際橋梁抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用較少。山區(qū)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)常用方法有靜力法、反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法等。

靜力法計(jì)算較為簡(jiǎn)便，但該方法未將橋梁在地震波作用下的變形和動(dòng)力特性考慮在內(nèi)，故一般往往只適用于橋臺(tái)、擋土墻等重量較大的剛性結(jié)構(gòu)；反應(yīng)譜法是山區(qū)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中最普遍的方法，該方法可以將橋梁所在場(chǎng)地的地震能量視為反應(yīng)譜輸入，從而得到橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)于地震的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律。但反應(yīng)譜法未考慮地震的隨機(jī)性，計(jì)算方法仍然是基于線彈性理論，不能計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性屈服之后的應(yīng)力、變形等變化特征；時(shí)程分析法能夠計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)在地震波作用下任何時(shí)刻的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和加速度等參數(shù)，還能模擬出樁—土間的相互作用，一般能用在跨度大或結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的山區(qū)公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)。

由上可知，在山區(qū)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)、所處場(chǎng)地等方面綜合考慮，從而確定合適的抗震設(shè)計(jì)方法。但由于地震波的作用往往具有復(fù)雜性、隨機(jī)性等，且橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)的假設(shè)條件未必與實(shí)際相符，這就使得各橋梁抗震設(shè)計(jì)方法所得到的計(jì)算結(jié)果仍比較粗糙，故一味追求數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確是沒(méi)有工程意義的。在山區(qū)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視概念設(shè)計(jì)，將基于強(qiáng)度控制的設(shè)計(jì)理念過(guò)渡到基于位移、延性控制的設(shè)計(jì)理念。

4 山區(qū)公路橋梁的抗震加固措施

山區(qū)公路橋梁采取抗震加固措施目的就是為了避免橋跨倒塌，使橋梁結(jié)構(gòu)的損傷、破壞在可控范圍內(nèi)。近年來(lái)，在進(jìn)行山區(qū)公路橋梁的抗震加固措施設(shè)計(jì)時(shí)，一般是基于將橋梁上部結(jié)構(gòu)視為彈性、將橋梁的下部結(jié)構(gòu)視為延性的抗震體系【4】。山區(qū)公路橋梁的上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“落梁”、倒塌、撞擊等病害，主要原因是下部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、各墩柱間的運(yùn)動(dòng)相異、相鄰橋段伸縮縫不斷撞擊等，故在確定橋梁進(jìn)行抗震加固措施時(shí)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注橋梁下部結(jié)構(gòu)的抗震能力。目前，山區(qū)公路橋梁抗震加固主要有2 種方法：（1）提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力，使其有足夠的強(qiáng)度抵抗地震波的破壞；（2）降低橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)地震波的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（如增加隔震支座），使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能滿足抗震要求。鑒于此，筆者提出山區(qū)公路橋梁的抗震加固措施劃分成上部結(jié)構(gòu)加固措施、下部結(jié)構(gòu)加固措施、減震隔震加固措施3 大類，如圖2 所示。

圖2 山區(qū)公路橋梁抗震加固措施分類

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)山區(qū)公路橋梁常見(jiàn)震害、抗震設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法、抗震加固措施等方面展開(kāi)了深入的研究，主要得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

1）山區(qū)公路橋梁在地震作用下，可能存在上部結(jié)構(gòu)震害、墩柱震害、基礎(chǔ)震害等，其中，上部結(jié)構(gòu)震害可分為結(jié)構(gòu)震害和位移震害，墩柱震害可分為剪力破壞和塑性鉸破壞；

2）山區(qū)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)方法已經(jīng)逐步從強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)過(guò)渡到位移、延性控制設(shè)計(jì)，目前抗震設(shè)計(jì)常用方法有靜力法、反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法等；

3）山區(qū)公路橋梁抗震加固可以從提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力和降低橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)地震波的動(dòng)態(tài)響應(yīng)2個(gè)方面著手，同時(shí)筆者提出山區(qū)公路橋梁的抗震加固措施劃分成上部結(jié)構(gòu)加固措施、下部結(jié)構(gòu)加固措施、減震隔震加固措施3 類。