淺議橋梁抗震設(shè)計

黃寶華　單榮海

中圖分類號：TU

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-0992(2009)03-0080-02

摘要：通過分析橋梁震害及產(chǎn)生原因，從設(shè)計的角度提出提出了在橋梁抗震設(shè)計過程中應(yīng)遵循的一些設(shè)計原則和橋梁減、隔震的有效措施，指出合理的結(jié)構(gòu)形式和成功的抗震設(shè)計可以大大減輕甚至避免震害的產(chǎn)生，從而很好地達到橋梁結(jié)構(gòu)的防震和抗震效果。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)措施

1橋梁的震害原因

(1)地震位移造成的梁式橋梁上部活動節(jié)點處因蓋梁寬度設(shè)置不足導(dǎo)致落梁或梁體相互磁撞引起的破壞，而對拱式結(jié)構(gòu)則主要表現(xiàn)在拱上建筑和腹拱的破壞，拱圈在拱頂、拱腳產(chǎn)生的破損裂縫，甚至整個隆起變形。

(2)由于地基土(如飽和粉細(xì)紗和飽和粘沙土)的地震液化影響，同樣加大了地震位移的影響。進而放大了結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)，使落梁的可能性增大。當(dāng)采用排架樁基礎(chǔ)時。則使樁基的承載力降低，從而造成與地震反應(yīng)無關(guān)的過大的豎向和橫向位移，而簡支梁橋?qū)Υ擞葹槊黠@。另外，由于地基軟弱，地震時當(dāng)部分地基液化失效后引起了結(jié)構(gòu)物的整體傾斜，下沉等嚴(yán)重變形，進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的破壞，震害較重。

(3)軟弱的下部結(jié)構(gòu)破壞。即由于橋梁下部結(jié)構(gòu)不足以抵抗其自身的慣性力和支座傳遞的主梁的地震力。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下部的開裂、變形和失效。甚至傾覆，并由此引起全橋的嚴(yán)重破壞。

(4)在松軟地基上的橋梁，特別是特大橋、大中橋，地震時往往發(fā)生河岸滑移，使橋臺向河心移動。導(dǎo)致全橋長度的縮短，這類震害是比較嚴(yán)重的。

2抗震設(shè)計

早在20世紀(jì)70年代，多級抗震設(shè)防的思想首先在核電站抗震設(shè)計中被提出。多級設(shè)防的合理性眾所周知，從近幾年各國橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的發(fā)展來看，采用多級設(shè)防原則的國家不斷增多，我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GBJ11-89)也早已采用2階段設(shè)計實現(xiàn)3級抗震設(shè)防的目標(biāo)要求。根據(jù)3級抗震設(shè)防原則，定義以下的3級地震水平：

地震水平I：定義為橋梁在正常使用壽命期間發(fā)生的大概率的地震作用。這個地震水平一般相當(dāng)于50年內(nèi)超越概率60左右，即約為55年一遇的地震，稱為多遇地震。

地震水平Ⅱ：定義為橋梁在正常使用壽命期間發(fā)生的中等概率的地震作用。這個地震水平一般相當(dāng)于50年內(nèi)超越概率10左右，即約為475年一遇的地震。

地震水平Ⅲ：定義為橋梁在正常使用壽命期間發(fā)生的小概率地震作用。這個地震水平一般相當(dāng)于50年內(nèi)超越概率2左右，即約為2475年一遇的地震，稱為罕遇地震。

上述這個原則實際上也規(guī)定了結(jié)構(gòu)在3級地震水平下相應(yīng)的反應(yīng)：在多遁地震作用下，結(jié)構(gòu)總體處于彈性反應(yīng)范圍，結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有損壞：在設(shè)防烈度的地震作用下，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)一定的塑性變形，但最大變形值應(yīng)限定在遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)的容許變形以內(nèi)；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷較大的彈塑性變形循環(huán)，最大變形可能達到結(jié)構(gòu)的容許變形值，但始終不超過容許變形值。

2.1抗震概念設(shè)計

由于地震發(fā)生的不確定性和復(fù)雜性，再加上結(jié)構(gòu)計算模型的假定與實際情況的差異，使“計算設(shè)計”很難控制結(jié)構(gòu)的抗震性能，因而不能完全依賴計算。結(jié)構(gòu)抗震性能的決定因素是良好的“概念設(shè)計”。因此，在橋梁的方案設(shè)計階段，不能僅僅根據(jù)功能要求和靜力分析就決定方案的取舍，還應(yīng)考慮橋梁的抗震性能，盡可能選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系。

在抗震概念設(shè)計時，要特別重視上、下部結(jié)構(gòu)連接部位的設(shè)計。橋墩形式的選取，過渡孔處連接部位的設(shè)計以及塑性鉸預(yù)期部位的選擇。

為了保證所選擇的結(jié)構(gòu)體系在橋址處的場地條件下確實是良好的抗震體系，必須進行簡單的分析(動力特性分析和地震反應(yīng)評估)。然后結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計分析結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位。并進一步分析是否能通過配筋或構(gòu)造設(shè)計保證這些部位的抗震安全性。

最后，根據(jù)分析結(jié)果綜合評判結(jié)構(gòu)體系抗震性能的優(yōu)劣，決定是否要修改設(shè)計方案。

2.2延性抗震設(shè)計

在目前的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中已普遍采用延性抗震準(zhǔn)則，其表達式為：

μ≤[μ]。

其中，μ和[μ]分別為實際和允許的延性比。這是在延性抗震設(shè)計中使用最廣泛的破壞準(zhǔn)則。

橋梁的延性抗震設(shè)計應(yīng)分兩個階段進行：1)對于預(yù)期會出現(xiàn)塑性鉸的部位進行仔細(xì)的配筋設(shè)計：2)對整個橋梁結(jié)構(gòu)進行抗震能力分析驗算，確保其抗震安全性。這兩個階段可以反復(fù)，直到通過抗震能力驗算(或進行減、隔震設(shè)計以減小地震反應(yīng))。

結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面(塑性鉸)的曲率延性系數(shù)一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)。這是因為一旦屈服出現(xiàn)，進一步的變形主要依靠塑性鉸的轉(zhuǎn)動。塑性鉸區(qū)的橫向鋼筋配置要同時滿足保證截面的延性和保證縱向鋼筋不壓潰屈曲這兩個要求。在這一方面。目前我國的規(guī)范還相當(dāng)不足，可參考國外規(guī)范進行。

2.3橋梁減、隔震設(shè)計

減、隔震體系通過增大結(jié)構(gòu)主要振型的周期，使其落在地震能量較少的范圍內(nèi)或增大結(jié)構(gòu)的能量耗散能力來達到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。減、隔震設(shè)計的效果，需要進行非線性地震反應(yīng)分析來驗證。

3橋梁抗震、加固措施

(1)結(jié)構(gòu)的剛度對稱有利于抗震，不等跨的橋梁容易發(fā)生震害。特別是一座橋內(nèi)墩身高度相差過大，在較矮的橋墩上會產(chǎn)生很大的地震水平力：跨徑不同。在大跨徑的橋孔的橋墩上也產(chǎn)生大的地震力。

設(shè)計上盡量避免在高烈度區(qū)采用這種橋型，如無法避免。宜在不利墩上設(shè)置消能措施降低墩頂集成剛度，例如設(shè)抗震支座等。

(2)斜橋的抗震性能較差。由于斜橋的抗推剛度非常大，在高烈度區(qū)，相應(yīng)于橋墩的基本周期動力放大系數(shù)也非常大，這導(dǎo)致地震效應(yīng)擴大。另外，在橋臺處，地震時河岸不穩(wěn)，易向河心滑移，使橋長縮短，橋孔發(fā)生錯動或扭轉(zhuǎn)，造成墩臺身開裂或折斷。

建議如地基條件允許，臺身可作成T型或U型這類整體性強、抗扭剛度大的，或采用埋置式。如在松軟的地基上，橋梁宜正交。并適當(dāng)增加橋長，使橋臺放在穩(wěn)定的河岸上。

(3)在可能發(fā)生地震液化的地基上建橋時。應(yīng)采用深基礎(chǔ)，使樁或沉井穿過可能液化的土層埋入較穩(wěn)定密實的土層內(nèi)。沈山高速公路遼中段地質(zhì)中普遍有相當(dāng)厚度的粉沙和細(xì)沙。在設(shè)計時，這部分土層只計厚度，不考慮其力學(xué)性質(zhì)。

(4)采用淺基的小橋和通道應(yīng)加強下部的支撐梁板或做滿河床鋪砌。使結(jié)構(gòu)盡量保持四鉸框架的結(jié)構(gòu)，防止墩臺在地震時滑移。

(5)在高烈度區(qū)的橋梁，縱向梁間設(shè)置消能設(shè)施，消能設(shè)施應(yīng)有足夠的強度，并能滿足梁端位移要求。此外，為防止發(fā)生落梁，應(yīng)加強上、下部結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。橋梁的支座錨栓、銷釘、剪力鍵等應(yīng)有足夠的強度。

(6)現(xiàn)階段鋼筋混凝土橋墩的抗震加固技術(shù)主要有：①加大截面加固法。這種方法對提高橋墩的強度及剛度較提高延性更有效，更適合于未進行抗震設(shè)計的橋梁。加固的效果取決于新舊混凝土之間的良好共同作用及鋼筋的錨固性能。缺點是不美觀。也不適于水下施工。②鋼板一角鋼加固法。在矩形或方形橋墩的四周設(shè)置鋼板并在轉(zhuǎn)角處用焊接角鋼連接，可顯著提高強度和剛度。③鋼纖維混凝土加固法。④復(fù)合材料(玻璃纖維、碳素纖維)加固法。⑤外包鋼管加固法。

4結(jié)語

大量的震害表明，合理的結(jié)構(gòu)形式和成功的抗震設(shè)計可以大大減輕甚至避免震害的產(chǎn)生。隨著對地震機理認(rèn)識的逐步加深，提高和完善橋梁結(jié)構(gòu)物的各項功能，以及橋梁抗震構(gòu)造措施進一步的改進和完善，可以很好地達到橋梁結(jié)構(gòu)的防震和抗震效果。只要認(rèn)真分析和了解結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和特性，精心設(shè)計并采取一系列有效的抗震措施，我們不但可以很好地達到結(jié)構(gòu)的防震和抗震效果。