抗震設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用分析

劉康 宋興禹 陳艷麗 朱炳喜 李琳

摘? 要：在對鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，為了使橋梁抗震能力進(jìn)一步提高，設(shè)計(jì)人員應(yīng)實(shí)施抗震設(shè)計(jì)，保障橋梁的穩(wěn)定性，有效預(yù)防地震災(zāi)害。該文先對抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)概念以及抗震設(shè)計(jì)的原理進(jìn)行總結(jié)，并對當(dāng)前常見的震害進(jìn)行分析，從多個角度總結(jié)當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)的主要問題，最后以實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)為依據(jù)，對其抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用過程進(jìn)行分析，旨在提高橋梁的抗震性能。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)橋梁? 抗震設(shè)計(jì)? 應(yīng)用? 分析

中圖分類號：S611? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2021）10（b）-0000-00

Application Analysis of Seismic Design in Steel Structure Bridge

LIU Kang1 SONG Xingyu1 CHEN Yanli2 ZHU Bingxi2 LI lin2

（1.School of Building Science and Engineering， Yangzhou University， Jiangsu， Yangzhou Province， 225000 China; 2.Jiangsu Institute of Water Conservancy， Jiangsu， Nanjing Province， 210000 China）

Abstract： In the design process of steel structure bridges， in order to further improve the seismic capacity of bridges， designers should implement seismic design to ensure the stability of bridges and effectively prevent earthquake disasters. Firstly， this paper summarizes the relevant concepts and principles of seismic design， analyzes the current common seismic disasters， summarizes the main problems of current seismic design from multiple angles， and finally analyzes the application process of seismic design based on the actual bridge design， in order to improve the seismic performance of the bridge.

Key Words： Steel structure bridge; Seismic design; Application; Analysis

在橋梁施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛，橋梁的穩(wěn)定性也隨之增加。為了使橋梁的抗震性能進(jìn)一步提高，設(shè)計(jì)人員應(yīng)提高抗震設(shè)計(jì)水平，保障鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗震性能符合規(guī)范要求。

1 抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)理論

1.1 概念

抗震設(shè)計(jì)也被稱為減隔震設(shè)計(jì)，主要包含隔震技術(shù)和減震技術(shù)兩個方面。相較于減震技術(shù)，隔震技術(shù)具有特殊的震動周期。當(dāng)發(fā)生地震的過程中，隔震技術(shù)可以對地震能量起到緩沖的作用，使鋼結(jié)構(gòu)橋梁受到的地震能量進(jìn)一步降低，從而起到保護(hù)橋梁的作用。而在實(shí)施減震設(shè)計(jì)過程中，關(guān)鍵部門的耗能構(gòu)件以及阻尼具有重要作用。

1.2 抗震設(shè)計(jì)的原理

1.2.1 結(jié)構(gòu)控制

在對鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施設(shè)計(jì)過程中，常見的控制技術(shù)主要有如下幾種：第一，混合控制技術(shù);第二，被動控制技術(shù);第三，主動控制技術(shù)。而在實(shí)施抗震設(shè)計(jì)過程中，主要依靠的理論為被動控制技術(shù)。設(shè)計(jì)人員通過對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理安排，可以使地震對結(jié)構(gòu)的影響降到最低。通過對當(dāng)前實(shí)踐進(jìn)行分析可知，在實(shí)施抗震設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)控制可以使橋梁的抗震性能進(jìn)一步提高。

1.2.2 延性設(shè)計(jì)

在對鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行抗震延性設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)以橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)為依據(jù)，選擇合適的位置對塑性鉸進(jìn)行設(shè)置，并對細(xì)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，保障橋梁穩(wěn)定性。實(shí)施延性設(shè)計(jì)的主要目的是：在地震發(fā)生過程中，可以使地震能量進(jìn)一步降低，使橋梁結(jié)構(gòu)整體性進(jìn)一步提高。當(dāng)?shù)卣鸬燃壿^高時(shí)，合理進(jìn)行延性設(shè)計(jì)可以防止鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)生坍塌。但是在實(shí)施眼形設(shè)計(jì)過程中，會使橋梁結(jié)構(gòu)性損害可能性進(jìn)一步提高，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)采取必要的隔震措施，使橋梁結(jié)構(gòu)所受的剪力得到控制[1-2]。

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的主要震害類型

2.1 上部結(jié)構(gòu)震害

以震害產(chǎn)生因素對震害進(jìn)行分類，主要有位移震害和結(jié)構(gòu)震害。而上部結(jié)構(gòu)震害主要為位移震害，產(chǎn)生損害的主要原因?yàn)榕まD(zhuǎn)受力，還伴隨著橫向位移和縱向位移。發(fā)生位移震害主要區(qū)域?yàn)樯炜s縫，當(dāng)上部位移遠(yuǎn)超支撐面時(shí)，會出現(xiàn)落梁震害的可能，這主要是因?yàn)橄尬粯?gòu)造已無法滿足使用要求。墩臺支承寬度不符合要求也是導(dǎo)致落梁的原因，在地震作用下，墩臺和梁會產(chǎn)生位移，最終導(dǎo)致落梁震害。

2.2 附屬工程震害

在地震的作用下，下部墩柱、橋臺連接處與主梁為橋梁結(jié)構(gòu)中較為薄弱的位置，當(dāng)附屬工程限位能力不符合要求時(shí)，會產(chǎn)生臺胸墻剪斷、支座脫離主梁等問題。

3 當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)的不足之處

3.1 抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用規(guī)范存在漏洞

在對鋼結(jié)構(gòu)橋梁實(shí)施建設(shè)過程中，抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用歷史較短。到目前為止，部分發(fā)達(dá)國家的抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)較為規(guī)范，而我國對抗震設(shè)計(jì)技術(shù)則較為不成熟。例如：在實(shí)施抗震設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論技術(shù)，我國的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用規(guī)范仍存在較多漏洞。在對鋼結(jié)構(gòu)橋梁實(shí)施抗震設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)構(gòu)造具有重要作用，當(dāng)設(shè)計(jì)存在問題時(shí)，會使其抗震性能受到嚴(yán)重影響。由于我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范不統(tǒng)一、檢測標(biāo)準(zhǔn)不完善，使我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗震設(shè)計(jì)受到較大的阻礙。除此之外，在對鋼結(jié)構(gòu)橋梁實(shí)施建設(shè)過程中，施工單位為了一己私利，使用不合格產(chǎn)品進(jìn)行建設(shè)，也會使橋梁抗震性能受到影響。

3.2 缺乏抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用方法

為了使鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗震性能發(fā)揮出最大水平，在實(shí)施抗震設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員不但應(yīng)對橋梁所在區(qū)域的地震等級進(jìn)行分析，還應(yīng)結(jié)合橋梁抗震設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。在此過程中，設(shè)計(jì)人員不但要對不同等級地震災(zāi)害進(jìn)行分析，還要總結(jié)在地震作用下鋼結(jié)構(gòu)橋梁所受的影響，工作量較大。

4 工程概況

4.1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程概況

某工程一標(biāo)段主要包括主線1號橋、主線2號橋2座主線橋梁，起點(diǎn)樁號為K93+228，終點(diǎn)樁號為K94+788。其中主橋1號橋上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆等高度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、雙塔雙索面鋼結(jié)構(gòu)拉橋以及三塔雙索面鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋;主線2號橋上部結(jié)構(gòu)為裝配式鋼混工字組合連續(xù)梁和現(xiàn)澆等高度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。橋臺為樁柱式橋臺、肋板式橋臺;下部結(jié)構(gòu)墩橋?yàn)樯w梁式花瓶墩、矩形花瓶墩;墩臺基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。

4.2 抗震設(shè)計(jì)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

對橋梁規(guī)模進(jìn)行劃分可知本工程中的橋梁為大橋。通過對相關(guān)抗震規(guī)范進(jìn)行分析可知，該橋?yàn)锽類抗震設(shè)防，其主要抗震設(shè)防目標(biāo)有：該橋?yàn)榇髽?，根?jù)《公路工程抗震規(guī)范》（JTG 1B02—2013） 中的相關(guān)規(guī)范，該橋主橋抗震設(shè)防分類為B 類。該橋主橋的抗震設(shè)防目標(biāo)為：在E2地震作用下，橋梁不會出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷或不會發(fā)生倒塌，采取臨時(shí)加固措施后，橋梁仍可用于應(yīng)急交通;在E1地震作用下，橋梁不需經(jīng)過修復(fù)仍可投入使用或橋梁結(jié)構(gòu)未被破壞。設(shè)防水準(zhǔn)：E2地震所對應(yīng)的概率在50年時(shí)間內(nèi)，超越概率為2%，且其重現(xiàn)期應(yīng)為2 500年;E1地震所對應(yīng)的概率在50年內(nèi)，超越概率為10%，且其重現(xiàn)期應(yīng)為475年。

以我國地震規(guī)劃圖為基礎(chǔ)，結(jié)合地震危險(xiǎn)性概率進(jìn)行分析可知，該橋梁應(yīng)設(shè)計(jì)7度的抗震設(shè)防雷度，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.4 s，地震加速度為0.1 g。

5 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中主要破損位置

在對鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，其主要組成部分為鋼結(jié)構(gòu)，在連接鋼板時(shí)，采用焊接、螺栓連接等進(jìn)行連接，因此在整個鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，各個連接節(jié)點(diǎn)為其薄弱部位，發(fā)生地震時(shí)，這些位置極易出現(xiàn)破損，在受到劇烈搖晃時(shí)，節(jié)點(diǎn)極易出現(xiàn)裂縫，若被二次沖擊，橋梁會出現(xiàn)斷裂等問題。因此，在實(shí)際施工過程中，為了使鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗震設(shè)計(jì)效果進(jìn)一步提高，施工人員應(yīng)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)施檢查，保障其穩(wěn)定性 [3-4]。

6 鋼結(jié)構(gòu)橋梁中抗震設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)具有延展性良好、抗震性能較高、整體強(qiáng)度優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)，在施工過程中，其對環(huán)境污染較小，具有良好的環(huán)保性。在對鋼結(jié)構(gòu)橋梁實(shí)施抗震設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)分析其抗震性能。

6.1 梁柱剛性連接實(shí)施抗震設(shè)計(jì)

由于栓焊混合連接形式具有施工簡便、構(gòu)造簡單等特點(diǎn)，因此該方式為我國常用的梁柱剛性連接方式，但是該種連接形式極易產(chǎn)生斷裂，需定期實(shí)施補(bǔ)焊。為了使節(jié)點(diǎn)部位的塑性轉(zhuǎn)動能力進(jìn)一步提高，施工人員應(yīng)在抗剪板和梁腹板的位置進(jìn)行補(bǔ)焊施工 [5-6]。

6.2 合理選擇抗震設(shè)計(jì)場地

在對鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行施工過程中，其地震時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的反應(yīng)以及橋梁抗震能力均與施工場地有關(guān)，為了使橋梁抗震性能進(jìn)一步提高，應(yīng)選擇土質(zhì)堅(jiān)硬的場地進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)所選場地地基為軟土?xí)r，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)對地基處理方式進(jìn)行優(yōu)化。

6.3 合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)總體布置

在對橋梁建筑形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，為了使其受力性更加明確，設(shè)計(jì)人員應(yīng)保障橋梁形狀的規(guī)則性，在發(fā)生地震之后，規(guī)則的橋梁形狀一定程度上可以降低損害。因此，在對橋梁實(shí)施抗震設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)以橋梁功能為依據(jù)，簡化橋梁結(jié)構(gòu)，使橋梁剛度中心和質(zhì)量中心偏差得到控制。

7 結(jié)語

在社會發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出大量的新型科技，橋梁設(shè)計(jì)也不例外。橋梁作為城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其設(shè)計(jì)科學(xué)性和精準(zhǔn)性將決定城市的交通發(fā)展水平和社會發(fā)展水平。而抗震設(shè)計(jì)作為鋼結(jié)構(gòu)橋梁穩(wěn)定性的重要因素，在橋梁建設(shè)中具有重要作用，為了降低地震災(zāi)害對橋梁的影響，設(shè)計(jì)人員應(yīng)從多個角度出發(fā)，總結(jié)國外先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對鋼結(jié)構(gòu)橋梁每個細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，使其整體抗震性能進(jìn)一步提高，從而達(dá)到提高橋梁穩(wěn)定性和安全性的目的。

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