公路橋梁設計與抗震措施

周維建

摘 要：在科技經(jīng)濟的發(fā)展推動下，公路橋梁的設計與施工技術有了極大的進步，公路橋梁的設計結(jié)構也越來越復雜，在公路橋梁的設計、施工環(huán)節(jié)中，需要結(jié)合實際情況分析橋梁的設計要點，進而對橋梁的設計進行不斷優(yōu)化，確保施工以及運行的安全性，因此，需要加強對公路橋梁設計與施工中注意事項的重視與分析，進一步提高我國公路橋梁的建設發(fā)展水平。

關鍵詞：橋梁工程;結(jié)構設計;抗震設計

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A

0 引言

如何使橋梁正常履行其工程職能，特別是其承受極端條件的能力，是橋梁設計者應考慮的最重要問題。地震是常見的自然災害之一，對工程師來說也是不利條件。地震是突然發(fā)生的，其特征是強大的破壞力和廣泛的破壞面積。沒有目標設計，橋梁將無法承受災難的破壞，并可能失去其使用能力。

1 意義

目前，我國的地質(zhì)災害頻發(fā)，尤其是地震災害影響的范圍廣、破壞性大，其中對公路橋梁的破壞尤為明顯，因此在進行公路橋梁設計的過程中增加了隔震設計。在公路橋梁施工的過程中安裝隔振器或者阻尼器，能有效地減少地震帶來的損壞。近些年來，眾多發(fā)達國家不斷的進行研究和探索，完善隔震設計方案，并且取得了一定的成績。隔震設計是抗震方式的新的發(fā)展形勢，進行橋梁的抗震設計時通過在一定程度上減少地震引起的橋梁結(jié)構的振動，有效地避免橋梁結(jié)構的損傷，增強橋梁的抗震能力。在傳統(tǒng)的橋梁的設計以及橋梁的施工過程中，通常情況下會提高橋梁的結(jié)構強度以及結(jié)構變形能力來增大橋梁的抗震效果。與之對比的是，橋梁的隔震設計的理論基礎是在橋梁的設計中加入了柔性的裝置進行設計，減少橋梁結(jié)構在水平方向運動的關聯(lián)性，保證橋梁關鍵的結(jié)構件能夠減少地震的損傷，降低橋梁結(jié)構的響應加速度，并且在進行隔震設計過程中添加阻尼設計，從而實現(xiàn)地震與橋梁結(jié)構的隔離，減少地震的傳遞能量，從而使得橋梁的整體結(jié)構的抗震能力大大增強。

2 橋梁地震破壞機理

通過對地震破壞橋梁的損傷識別分析的結(jié)果，可以看出，由側(cè)向地震波引起的橋梁各部分之間的壓縮和碰撞導致的破壞是橋梁地震破壞的重要原因。眾所周知，橋由連接在一起的幾個部分組成。當橋梁承受強大的側(cè)向力時，諸如軸承和橫向鉸鏈之類的連接部件會導致橫梁向側(cè)面移動并與相鄰橫梁發(fā)生碰撞，從而損壞接頭。橋面鋪面被損壞，橋區(qū)因沖擊而損壞，從而導致嚴重的光束下降和橋梁運輸功能的喪失。另外，地震使下面的土壤松散，破壞了基礎并失去了支撐功能。

3 橋梁結(jié)構震害分析

地震對橋梁結(jié)構的影響是巨大的，直接導致橋梁結(jié)構的破壞，進而影響橋梁的安全和質(zhì)量。為了更好地進行橋梁結(jié)構的抗震設計和抗震設防，有必要了解橋梁結(jié)構的震害類型和原因。橋梁結(jié)構的地震破壞包括兩種形式：橋梁結(jié)構振動和由場地相對位移引起的強迫變形。第一種形式主要由場地運動引起。在慣性力作用下，地震作用將施加到橋梁結(jié)構上，導致橋梁結(jié)構的振動。第二種形式主要為場地相對位移所引起，在場地位移下通過支點強制變形產(chǎn)生的超靜定內(nèi)力，進而導致橋梁結(jié)構變形。地震作用下，橋梁結(jié)構會受到不同程度的破壞，進而導致各種質(zhì)量安全問題的發(fā)生。如橋墩開裂、傾斜，支座錨栓剪斷，橋墩滑移、落梁倒塌等。由于地震對橋梁結(jié)構的破壞程度不同，所以震害的表現(xiàn)形式也有所不同，如地震發(fā)生后，導致橋梁產(chǎn)生位移，在位移過程中就會對橋梁上部結(jié)構的各個節(jié)點造成影響，由于節(jié)點承載力和角度發(fā)生變化，就會導致橋梁梁體相互撞擊，出現(xiàn)橋梁整體隆起的表現(xiàn)。地震發(fā)生后，由于橋梁地基周圍土質(zhì)發(fā)生液化，所以也會導致橋梁發(fā)生位移，在位移影響下，很容易導致橋梁出現(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表現(xiàn)形式。對此，為了最大程度降低橋梁震害的影響，就必須做好橋梁結(jié)構的抗震設計及設防措施。

4 抗震措施

4.1 隔震裝置附屬結(jié)構的設計要點

橋梁隔震裝置的附屬結(jié)構對于橋梁的整體抗震性能也有著重要的作用，通常情況下，附屬結(jié)構主要包括防落梁裝置、橋梁限位裝置以及伸縮縫等，在進行大量的地震危害分析以及橋梁動力學分析之后，會發(fā)現(xiàn)這些附屬結(jié)構對于橋梁整體結(jié)構的動力學響應結(jié)果以及隔震性能都有至關重要的影響。因此，在進行橋梁隔震設計時應該更加注重這些附屬結(jié)構的細節(jié)性的設計要點，進行關鍵部位的動力學分析以及靜力學分析，深入地進行研究附屬結(jié)構的動力響應，進行相關方面的計算分析，掌握附屬結(jié)構設計的原理，做到在設計附屬結(jié)構時應該足夠的重視，確保附屬結(jié)構滿足橋梁整體性能的要求，保證橋梁的質(zhì)量。

4.2 延性地震系統(tǒng)

通過對結(jié)構破壞的觀察，提出了延性抗震的概念。在實際的地震破壞中，已經(jīng)觀察到缺乏結(jié)構強度并不一定會對結(jié)構造成嚴重破壞，并且只要結(jié)構的初始強度不會因非彈性變形而劣化并且基本上保持初始強度，就不會破壞結(jié)構。既有橋梁的彈塑性消能部分可以安裝在墩中，以達到地震系統(tǒng)的目的，并便于檢查和維修墩的受損部分。典型的連續(xù)梁橋和簡單的支撐梁橋是單柱墩，其消能部分位于墩底，而雙柱墩則是墩頂、墩底和綁梁端。因此，墩柱和系梁被設計為柔性部件，在彈性內(nèi)而不會損壞部件。通常延性地震系統(tǒng)適用于大比例墩和橋梁的地震設計。

4.3 做好橋梁連接件的設計工作，減小伸縮縫

過去，通過加強結(jié)構的強度和延性，進一步提高了橋梁結(jié)構的整體抗震能力。然而，這種方法也容易出現(xiàn)一些缺點，如受地震的影響。橋梁的抗震能力無法有效預測，因此當?shù)卣鸢l(fā)生時，橋梁仍然受到很大的影響和損壞。因此，為了改善以往的不足，有必要引入一種新的橋梁結(jié)構抗震設計方法。在橋梁抗震結(jié)構設計期間，主要是應用了型鋼混凝土的結(jié)構，此類結(jié)構，具有較好的應用優(yōu)勢，承載能力較強，具有較強的抗剪能力，且延性較強，所以此結(jié)構被廣泛應用。需要注意的是，設計工作人員在公路橋梁設計期間，要注重上部結(jié)構與下部結(jié)構的抗震設計，確保上部結(jié)構和下部抗震結(jié)構設計的合理性，如就上部結(jié)構來說，為了有效控制橋梁的伸縮縫隙大小，要降低橋梁，避免出現(xiàn)橋梁分離而引發(fā)位移風險。此外，在設計期間應用先簡支后連續(xù)的設計方法，利用連續(xù)的橋面來強化橫向和縱向的聯(lián)系。

4.4 加強對橋梁疲勞損傷的檢查

公路橋梁的運營環(huán)境較為苛刻，易受到行車荷載、自然降雨、河水沖刷等因素的影響，且隨時間的延長而出現(xiàn)受侵蝕的情況。另外，由于公路橋梁疲勞損傷的發(fā)生是一個持續(xù)性的過程，同時初期其影響相對微弱且不便于觀察，因此該現(xiàn)象很容易逐步影響到周邊結(jié)構。不僅如此，若在后期維護過程中才發(fā)現(xiàn)問題，此時的疲勞損傷將直接對全橋的使用狀況帶來影響，若缺乏及時的處理措施，則極易發(fā)生結(jié)構脆性斷裂等問題，造成不可估量的損失。為有效規(guī)避橋梁疲勞損傷，必須在橋梁運營階段做好定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題，同時對該現(xiàn)象要給予高度的重視，分析成因并正確處理，從而將不良影響范圍降到最小，以進一步保證橋梁具有足夠的安全性和耐久性。

4.5 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器的應用對于降低地震所產(chǎn)生的震動影響有著非常重要的作用，目前很多的建筑設計人員都在全面地應用該技術來提升抗震性能，以滿足人們對于橋梁穩(wěn)定性的需要。在具體應用中，粘滯阻尼器所具備較多的優(yōu)點，首先屈服力與摩擦力是常用值，在結(jié)構出現(xiàn)變形情況時，就能夠?qū)⒍邤?shù)值同步，進而可以避免出現(xiàn)變形而影響橋梁結(jié)構的性能，但是在具體應用中，如果阻尼器的參數(shù)為1時，就會導致橋墩出現(xiàn)嚴重的變形，而當阻尼器變?yōu)?時，阻尼器的阻尼力是最大的，橋墩也就不會出現(xiàn)較大的變形。由此可見，選擇合適的粘滯阻尼器能夠全面提升橋梁結(jié)構的穩(wěn)定性和安全性。根據(jù)目前的橋梁結(jié)構形式，阻尼器通常都是布置在塔梁的中間結(jié)構位置上。

4.6 橋梁結(jié)構各構件抗震設計

橋梁結(jié)構的抗震設計具有一定的復雜性和技術性，需要根據(jù)橋梁不同部分進行針對性的抗震設計，以此來提高抗震設計的有效性。以橋梁上部結(jié)構抗震設計為例，就需要根據(jù)結(jié)構形式、跨徑大小進行設計，如橋梁跨徑較大，則需要在設計方面選擇整體性較好的截面，以此來提高橋梁上部結(jié)構的抗震性能。如要進一步增加橋梁上部結(jié)構的抗震能力，可以增加上部結(jié)構的整體性，以此來限制上部結(jié)構在發(fā)生地震時的位移。如橋梁建設過程中采取的為多跨簡支梁，則需要在抗震設計中增強梁與梁之間的縱橫關系，保證橋面的連續(xù)性。就橋梁下部結(jié)構抗震設計為例，則需要選擇土質(zhì)偏硬、穩(wěn)定的區(qū)域作為橋梁地基，為保證下部橋臺結(jié)構的穩(wěn)定性，可以選擇U型結(jié)構或T型結(jié)構進行設計，在具體施工中則可以使用重力式橋臺進行施工。連接件是橋梁結(jié)構中尤為重要的組成部分，在抗震設計過程中，需要重視對連接件，如伸縮縫、支座的抗震設計，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，以此來提高橋梁的抗震性能。

5 結(jié)束語

總而言之，隨著經(jīng)濟建設的進一步發(fā)展，我國公路橋梁的運行負擔正在日益加重。在這樣的背景下，需要公路橋梁工程建設具有更高的質(zhì)量保證。公路橋梁結(jié)構設計中選擇使用隔震設計方案可以全面提升橋梁的抗震性能，從而實現(xiàn)安全性與穩(wěn)定性的提升，從上文中可以看出，選擇不通過結(jié)構形式的支座所產(chǎn)生的效果也是不同的，在具體的設計過程中，要結(jié)合工程的實際情況來選擇合理的結(jié)構設計方案，從而可以保證公路橋梁具備較強的抗震性能，滿足人們的使用需要。

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