橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與設(shè)防措施

（青海西拓交通工程咨詢有限責(zé)任公司 810000）

0 前言

在道路工程的建設(shè)過(guò)程中，橋梁工程建設(shè)是非常重要的一環(huán)。橋梁工程的建設(shè)質(zhì)量，直接影響著人們的出行安全。由于橋梁工程的施工環(huán)境較為復(fù)雜，并且需要橋梁工程具有足夠的承載力和穩(wěn)定性，因此對(duì)于橋梁工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。這就要求在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，格外注重橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，因?yàn)榈卣饘?duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的破壞力是非常大的，一旦橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能達(dá)不到相應(yīng)的建設(shè)要求，一旦有地震發(fā)生，將會(huì)導(dǎo)致橋梁工程坍塌，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)造成大量的人員傷亡。

1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)特點(diǎn)和發(fā)展

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)的分類及特點(diǎn)

橋梁結(jié)構(gòu)主要可以分為五大基本類型，及枕式橋梁結(jié)構(gòu)、斜度橋梁結(jié)構(gòu)、弧形橋梁結(jié)構(gòu)、脊背式橋梁結(jié)構(gòu)、擾流橋梁結(jié)構(gòu)。枕式橋梁結(jié)構(gòu)和斜度橋梁結(jié)構(gòu)在外形相類似，在坡度上有所區(qū)別，主要用于大跨度的建筑中，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)施有著更可靠的優(yōu)點(diǎn)。脊背式橋梁結(jié)構(gòu)顧名思義其截?cái)嗝骖愃朴跁?，整個(gè)外觀平整光滑，在出廠時(shí)一次壓膜成型，更具有整體性，對(duì)于較少震動(dòng)緩解撞擊更有優(yōu)勢(shì)，由于脊背式橋梁結(jié)構(gòu)外形美觀一次成型，在撤氣或撤水的時(shí)候會(huì)完全扁平，減少了低流干擾，有助于提升抗震設(shè)計(jì)水平。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展

我國(guó)目前的橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)量已建成的已有很多，按照我國(guó)的橋梁工程的實(shí)際情況并在多年的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，已經(jīng)形成了具有中國(guó)特色的橋梁結(jié)構(gòu)體系，但是通常都是以小型為主，真正的多跨大型公路橋梁結(jié)構(gòu)還屈指可數(shù)，大型多跨橋梁結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中有很多地方可以使用，也是未來(lái)橋梁工程抗震設(shè)計(jì)的重要發(fā)展趨勢(shì)，隨著科技的發(fā)展與技術(shù)的不斷完善，大型多跨橋梁結(jié)構(gòu)的需求量也在不斷增加，由于其跨越度大、跨數(shù)多等特點(diǎn)，導(dǎo)致了在設(shè)計(jì)其工程布置形態(tài)、安置位置等方面需要更多的考慮和更多的規(guī)劃考量，這也是我國(guó)目前大型多跨式橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)震害分析

地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響是巨大的，會(huì)直接導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而影響橋梁安全和質(zhì)量。為了更好的做好橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與設(shè)防工作，就必須對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的震害類型及原因有所了解。橋梁結(jié)構(gòu)震害包括橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)和場(chǎng)地相對(duì)位移產(chǎn)生強(qiáng)制變形兩種形式。第一種形式主要為場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)所引起，在慣性力下會(huì)把地震作用施加在橋梁結(jié)構(gòu)上，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)。第二種形式主要為場(chǎng)地相對(duì)位移所引起，在場(chǎng)地位移下通過(guò)支點(diǎn)強(qiáng)制變形產(chǎn)生的超靜定內(nèi)力，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)變形。地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)受到不同程度的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致各種質(zhì)量安全問(wèn)題的發(fā)生。如橋墩開(kāi)裂、傾斜，支座錨栓剪斷，橋墩滑移、落梁倒塌等。由于地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞程度不同，所以震害的表現(xiàn)形式也有所不同，如地震發(fā)生后，導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生位移，在位移過(guò)程中就會(huì)對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)造成影響，由于節(jié)點(diǎn)承載力和角度發(fā)生變化，就會(huì)導(dǎo)致橋梁梁體相互撞擊，出現(xiàn)橋梁整體隆起的表現(xiàn)，如圖1所示。地震發(fā)生后，由于橋梁地基周圍土質(zhì)發(fā)生液化，所以也會(huì)導(dǎo)致橋梁發(fā)生位移，在位移影響下，很容易導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)落梁的表現(xiàn)。除此之外，橋墩剪切破壞、支座破壞、橋墩彎曲破壞都是橋梁震害的常見(jiàn)表現(xiàn)形式[1]。對(duì)此，為了最大程度降低橋梁震害的影響，就必須做好橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)及設(shè)防措施。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)震害表現(xiàn)形式

3 橋梁工程中橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理化計(jì)算

合理計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)與具體情況相結(jié)合，計(jì)算整個(gè)橋梁的結(jié)構(gòu)。在計(jì)算過(guò)程中因墩柱高度的不同，使得其受到溫度、汽車制動(dòng)力等因素的影響，導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生水平力，或力的分配不均勻，因此在計(jì)算過(guò)程中需要模擬邊界條件[2]。

3.2 支座剛硬度設(shè)計(jì)

開(kāi)展抗震設(shè)計(jì)工作時(shí)，通常簡(jiǎn)支T梁是橋梁支架，也可以稱為橡膠支架。通常設(shè)置2 排支架、橫向支座2 排在橋墩頂部；在單個(gè)蓋梁上面設(shè)置2 排橫向支架，此時(shí)就需要對(duì)支架剛度Kz進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

在公式中，A、G、t 分別代表支座的平面面積、支座剪切彈性模量、支座橡膠層的具體厚度。

3.3 地震荷載

關(guān)于地震荷載，其包括許多內(nèi)容，要確定所處地區(qū)地震峰值加速度，也需要設(shè)計(jì)抗震設(shè)計(jì)程度。在設(shè)計(jì)當(dāng)中橋梁抗震程度比較高，通常需要高出1度。在具體的設(shè)計(jì)當(dāng)中需要增加擋塊，此方向?yàn)闄M向、豎向，并且需要加裝橡膠墊片，在確保橋梁結(jié)構(gòu)延展性得以提升的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加集中部位鋼筋。比如某橋梁工程是7 度區(qū)的高速公路，橋梁規(guī)格為B類，這個(gè)時(shí)候可以設(shè)置地震基本烈度、地震動(dòng)峰值加速度、場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期，它們分別為7 度、0.10g、0.45s，若是橋墩高度比30m高，就已不是較為常規(guī)的橋梁，因此分析橋梁抗震性能具有非常重要的意義，能通過(guò)MM/TH 法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[3]。

3.4 橋墩長(zhǎng)度計(jì)算

在公路橋梁當(dāng)中簡(jiǎn)支梁與連續(xù)結(jié)構(gòu)是時(shí)常見(jiàn)到的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)橋墩承載力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要對(duì)極端長(zhǎng)度L0 值進(jìn)行計(jì)算，為此當(dāng)墩頂在水平力的作用之下會(huì)發(fā)生水平位置移動(dòng)，確定橋墩計(jì)算程度系數(shù)時(shí)，要把β控制在1～2范圍之內(nèi)，β會(huì)受到許多因素的影響，比如橋墩剛性強(qiáng)度、高度等，為此獲取β值時(shí)，因不同項(xiàng)目工程的β取值會(huì)不同，這個(gè)時(shí)候會(huì)與規(guī)定數(shù)值之間存在比較大的差異，為此需要模擬橋梁結(jié)構(gòu)空間受力的基本特征，其中模擬工具為三維有限元件，此軟件能夠?qū)κ褂脿顟B(tài)、具體施工過(guò)程進(jìn)行模擬，從而就更為準(zhǔn)確計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)空間受力情況[4]。

3.5 橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)具有一定的復(fù)雜性和技術(shù)性，需要根據(jù)橋梁不同部分進(jìn)行針對(duì)性的抗震設(shè)計(jì)，以此來(lái)提高抗震設(shè)計(jì)的有效性[5]。以橋梁上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)為例，就需要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、跨徑大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，如橋梁跨徑較大，則需要在設(shè)計(jì)方面選擇整體性較好的截面，以此來(lái)提高橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗震性能，如圖2所示。如要進(jìn)一步增加橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗震能力，可以增加上部結(jié)構(gòu)的整體性，以此來(lái)限制上部結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震時(shí)的移位。如橋梁建設(shè)過(guò)程中采取的為多跨簡(jiǎn)支梁，則需要在抗震設(shè)計(jì)中增強(qiáng)梁與梁之間的縱橫關(guān)系，保證橋面的連續(xù)性。就橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)為例，則需要選擇土質(zhì)偏硬、穩(wěn)定的區(qū)域作為橋梁地基，為保證下部橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以選擇U型結(jié)構(gòu)或T型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在具體施工中則可以使用重力式橋臺(tái)進(jìn)行施工。連接件是橋梁結(jié)構(gòu)中尤為重要的組成部分，在抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要重視對(duì)連接件，如伸縮縫、支座的抗震設(shè)計(jì)，如盡可能減少伸縮縫數(shù)量，提高伸縮縫變形能力，在橋墩上布置彈性支座等，以此來(lái)提高橋梁的抗震性能。

圖2 橋梁截面整體性實(shí)圖

3.6 橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)烈度

設(shè)計(jì)烈度主要是指建筑工程設(shè)計(jì)時(shí)的地震烈度。一般來(lái)說(shuō)，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)烈度都會(huì)按照基本烈度來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)，尤其是橋梁的一些重要設(shè)計(jì)區(qū)域還應(yīng)該經(jīng)過(guò)審批以后提高一級(jí)的烈度。根據(jù)目前我國(guó)橋梁地震災(zāi)害的實(shí)際情況來(lái)看，當(dāng)基本烈度為七級(jí)以下的時(shí)候，橋梁一般不會(huì)受到太大的地震影響。因此對(duì)于基本烈度為七級(jí)以下的橋梁，可以不必進(jìn)行專門的抗震設(shè)計(jì)[6]。

4 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)設(shè)防措施

為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，必須做好橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防工作。首先，在橋梁場(chǎng)地的選擇方面，就需要根據(jù)抗震需求科學(xué)選擇場(chǎng)地。比如可以對(duì)區(qū)域的地震危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，盡可能選擇安全的建設(shè)場(chǎng)地，具體應(yīng)該以堅(jiān)硬的場(chǎng)地為宜，堅(jiān)硬的場(chǎng)地在發(fā)生地震時(shí)可以避免地基失效問(wèn)題的發(fā)生，這對(duì)于降低震害對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響具有重要的意義[7-8]。其次，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的可靠性，還需要保證整個(gè)橋梁體系的完整性和規(guī)則性，這也是一項(xiàng)尤為重要的設(shè)防措施。比如橋梁建設(shè)過(guò)程中，其上部結(jié)構(gòu)必須保證連續(xù)性，這對(duì)于降低地震時(shí)對(duì)上部結(jié)構(gòu)造成的影響具有重要的作用，同時(shí)還可以更好的發(fā)揮結(jié)構(gòu)的空間作用。而就橋梁的規(guī)則性而言，即在橋梁平面或立面以及結(jié)構(gòu)的布置方面，都必須保證幾何尺寸、剛度、對(duì)稱、均勻的規(guī)則性，這樣可以避免突然震動(dòng)變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響。最后，在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防方面，還需要加強(qiáng)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延性，以此來(lái)起到抗震設(shè)防的作用。比如可以利用橋墩自身加強(qiáng)的延性和強(qiáng)度，將地震力通過(guò)限度內(nèi)的塑性變形漸漸分散，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)震害的有效耗散。強(qiáng)度與延性是決定橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的重要參數(shù)，所以在抗震設(shè)防中必須提高重視。

5 結(jié)束語(yǔ)

終上所述，對(duì)于橋梁工程來(lái)說(shuō)，采取有效的措施來(lái)提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能意義重大。作為相關(guān)的設(shè)計(jì)人員，需要對(duì)橋梁工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有非常清晰地了解，并且在設(shè)計(jì)之前需要充分做好橋梁工程的地質(zhì)勘查，進(jìn)而采取有效的抗震設(shè)計(jì)措施來(lái)做好橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)工作，確保橋梁結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)達(dá)到相應(yīng)的要求和標(biāo)準(zhǔn)，降低地震災(zāi)害對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)所造成的影響，以更好地保障出行人員的安全。