探討橋梁工程抗震設計問題

周永生,安欣

摘要 當下的熱點研究問題是橋梁工程的抗震能力研究。橋梁在交通運輸方面有著特殊的意義，它是連接江河海湖上，讓行人車輛能夠順利通行的重要建筑。近年來的地震讓國內(nèi)外都受到不少損失，并且公路和橋梁都遭受了破損，不同程度的震撼使重建家園的進度受到影響，它造成了道路中斷，造成抗震救災和運輸工作的很大阻礙。因此，橋梁工程也被稱為生命線工程，如今橋梁抗震問題也開始引起越來越多的關注。本文在分析橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的主要形式基礎上，闡述了橋梁抗震設計原則，最后對于橋梁抗震設計方法進行分析，重點探討了橋梁抗震概念設計原創(chuàng)、介紹了抗震設計的參數(shù)等內(nèi)容。

關鍵詞 橋梁工程；抗震破壞；抗震設計

中圖分類號U442 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）43-0017-02

0 引言

地震是一種毀滅性很強的自然災害，具有突發(fā)性，雖然它持續(xù)的時間只有短短的幾十秒，但會造成非常巨大的損失，歷來是嚴重危害人類的大災害。與其他自然災害不能相比的是，它帶來的損失不僅僅是財產(chǎn)，還有無數(shù)生命。在最近的20年里，全球發(fā)生了許多次地震，震級大，極具破壞性，尤其是發(fā)生在城市中，造成的生命財產(chǎn)損失是慘重的。每個城市的都有個共同特點是：每個橋梁工程都受到了不同程度的損壞，切斷了地震區(qū)域的交通生命線，給救災的行動也帶來了很大的困難，加重了災區(qū)的次生災害。而對交通線的依賴性也越來越強。交通線被地震破壞，直接導致生命財產(chǎn)和間接造成經(jīng)濟損失的程度變大。地震里的橋梁工程受到破壞的后果影響著國家對其的關注性。因此，橋梁工程的抗震研究也彰顯了重要性。

1 橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的主要形式

滑坡、地表斷裂、軟土震陷、沙土液化等都是地震所造成的主要地表破壞現(xiàn)象。軟弱粘性土的土坡，有著軟弱夾層不穩(wěn)定的邊坡，層里傾斜且會在地震時受到附加水平力或土層的強度降低發(fā)生滑動等意外。導致了在這些附近或邊坡修筑的建筑物損壞。在山區(qū)或丘陵地區(qū)，由地震引起的滑坡是震害特點?；麓蠖汲霈F(xiàn)在人工邊坡開挖面還有平原地區(qū)的河岸不穩(wěn)定地區(qū)。在地震作用下，飽和沙土的結(jié)構(gòu)遭到破壞，土地的顆粒發(fā)生了相對位移，體積也收縮了，孔隙水壓力也暫時明顯增大，當沙土顆粒形同呈懸浮狀態(tài)的“液體”時，就是孔隙水的壓力上升到了與外部壓力相等的時候，土體的抗剪強度就喪失了；而另一方面，“噴水冒沙”現(xiàn)象的形成，是高壓力孔隙水將沙土顆粒同時帶了出來，噴出了地面。在強震作用下，土體結(jié)構(gòu)的強度降低，孔隙水從邊界因為壓力增大而排出，軟黏土因為擠壓的狀況而產(chǎn)生的不均勻沉陷，土體結(jié)構(gòu)也被擾動。而會導致橋梁的結(jié)構(gòu)尤其是超靜定結(jié)構(gòu)的破壞甚至倒塌的原因，就是不均勻沉陷所引起的內(nèi)力重分布。而在橋梁的組成部位上，就是橋梁震害發(fā)生破壞的重點部位。橋梁通常都是由支撐連接構(gòu)件、上部結(jié)構(gòu)、墩臺等結(jié)構(gòu)和基礎組成的。

2 橋梁抗震設計原則

1）場地的選擇。第一步我們要依據(jù)地震危險性的分析來判斷選擇比較安全的地方，然后我們需要考慮這個地區(qū)內(nèi)部的場地選擇，例如，選擇較為堅硬的地方，以免地震的時候因為地基松軟導致抗震失效；

2）體系整體性和規(guī)則性的重視。不管是在平面上還是在立面上，結(jié)果的布置均需要使用科學的幾何尺寸，剛度以及質(zhì)量均勻，規(guī)則對策，從而來避免突然的變化。橋梁的上部結(jié)構(gòu)應盡可能是連續(xù)的，從而保證橋梁良好的整體性。較好的整體性是結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用的基本條件，同時它也可以有效地防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時被震散掉落；

3）增強結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的延性和強度。橋梁的抗震設計主要是控制從地基傳入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的能量為最小值。同時提高結(jié)構(gòu)自身的剛強度以及延性。由于橋梁地震破壞的原因主要是橋梁結(jié)構(gòu)的震動。因此，在不改變橋梁的剛度以及重量的前提條件下，提高總體的延性以及強度是橋梁抗震的兩個比較有效的途徑。剛度能夠有效的控制結(jié)構(gòu)變形，延性以及強度是兩個抗震的關鍵指標。只重視強度而忽視延性絕對不是良好的抗震設計，因為地震動可造成結(jié)構(gòu)和構(gòu)件周期反復變形，使其剛度與強度逐漸退化；

4）嚴格遵循能力設計原則。在我國以前的建筑抗震設計中，普遍采用“強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件”的設計思想。強度安全度差異是能力設計思想特別強調(diào)的，即在不同破壞模式（延性破壞和脆性破壞模式）和不同構(gòu)件（能力保護構(gòu)件——不適宜發(fā)生非彈性變形構(gòu)件的統(tǒng)稱和延性構(gòu)件）之間確立不同的強度安全度。通過強度安全度差異，確保在大地震下，結(jié)構(gòu)不發(fā)生脆性的破壞模式，而是以延性形式反應；

5）建立多道抗震防線。在強地震過程中，應該保證一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結(jié)構(gòu)，從而避免結(jié)構(gòu)倒塌。因此要盡量使橋梁成為具有多道抵抗地震側(cè)向力的體系。從這點上看，超靜定結(jié)構(gòu)要明顯優(yōu)于同種類型的靜定結(jié)構(gòu)。

3 抗震設計的參數(shù)

橋梁抗震設計的主要參數(shù)有3個：橋梁結(jié)構(gòu)的強度、剛度和延性。

3.1 強度

結(jié)構(gòu)只有具有足夠的強度，以抵抗結(jié)構(gòu)在其彈性地震反應時所產(chǎn)生的內(nèi)力，才能保證橋梁結(jié)構(gòu)在預期的地震作用下免遭破壞。對于發(fā)生概率很低的地震，如部規(guī)規(guī)定的設防地震（475 年一遇的地震），結(jié)構(gòu)需要具有相當高的強度才能抵抗其激起的彈性地震力。

3.2 剛度

結(jié)構(gòu)剛度把荷載或作用力與結(jié)構(gòu)的變形聯(lián)系起來，其估計值將直接影響到對結(jié)構(gòu)地震反應位移的預期值。因此工程師必須估算出結(jié)構(gòu)的實際剛度，以正確可靠地計算結(jié)構(gòu)在地震側(cè)向力作用下的變形，進而控制其變形。過去往往人為的低估了結(jié)構(gòu)的地震反應位移，簡單的用全截面剛度來代替開裂截面剛度，結(jié)果導致地震中落梁震害的嚴重后果頻出。

3.3 延性

通常用延性這個術語來描述結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或材料用于抵抗其在非彈性反應范圍內(nèi)的變形的能力。延性是位于地震區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)所必須具備的一個無比重要的特性。由于地震動對結(jié)構(gòu)的作用是以運動方式、而非力的方式出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)能夠依靠其延性，在大地震迫使橋梁產(chǎn)生大變形時（這些變形可能遠遠超出了彈性范圍），仍能維持其大部分初始強度，從而免于倒塌。

4 橋梁抗震設計應注意的事項及建議

4.1 橋梁抗震設計注意事項

1）如果剛度的變化太大，剛性大的橋墩在地震中容易產(chǎn)生破壞，應盡可能讓沿縱橫、縱橋向的橋墩剛度一致；

2）曲線橋會使結(jié)構(gòu)地震的反應復雜化，將橋軸線盡量設計成直線；斜交會引起增大位移的轉(zhuǎn)動響應，使橋墩和橋臺盡可能與軸線垂直；

3）為了觀察與修復的方便，應將塑性鉸設計在墩柱上，而不應在主梁、蓋梁、地下或水中的樁頂處；

4）我們在進行選材以及確定結(jié)構(gòu)的形式的時候應該遵照以下的幾個基本原則：變形能力強，質(zhì)量輕強度高，結(jié)構(gòu)的整體性好，剛度和強度衰減小。單從抗震性能優(yōu)劣對材料進行劃分依次為：鋼結(jié)構(gòu)，鋼礬組合結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋礬，預制鋼筋礬，預應力礬，砌體；

5）增加結(jié)構(gòu)延性，防止脆性與失穩(wěn)破壞。磚、石、素砼的開裂和鋼筋砼的剪切破壞是常見的脆性破壞；斜撐和柱的失穩(wěn)以及柱中縱向鋼筋在箍筋不足時的壓屈是常見的失穩(wěn)破壞。

4.2 橋梁抗震設計的建議

1）地震有著不確定性的特點，因此會導致計算橋梁抗震結(jié)構(gòu)的失真。地震運動是因為震源通過傳播介質(zhì)體再通過場地地質(zhì)體這樣一系列的變化運動而形成的綜合變化，所以，在計算的過程中存在很多的不確定性模糊事件；

2）我們應該盡可能的使用連續(xù)的橋跨來替代簡支梁，減少伸縮縫的數(shù)量，降低在這個地方落梁的可能性。同時也增加橋上駕車的舒適度；

3）為防止主梁發(fā)生位移落梁，應加強橋面的連續(xù)構(gòu)造以提供足夠的寬度；另外還應適當?shù)赝貙挾沼犴斏w梁及支座，并增設隔擋裝置以防止位移；

4）應該選取比較好的，較為穩(wěn)定的河段架設橋梁，如果沒有辦法，必須在穩(wěn)定性比較差的河段進行架設，那么應該盡量采用橋梁的中心與河流成正交狀態(tài)，盡可能的避免河槽和河灘分界的地方發(fā)生突變；

5）軟土的液化會加大地震反應，因此橋梁的基礎應盡可能地建在可靠的地基上；

6）大跨度意味著墩柱承受的軸向力過大，從而降低墩柱的延性能力，因此橋跨宜短而不宜太長；

7）為了便于給墩柱提供足夠的約束，墩柱設計中應盡可能地使用螺旋形箍筋。另外為了增強連接點的延性墩身及基礎的縱向鋼筋伸入蓋梁和承臺應有一定的錨固長；

8）較高的排架橋墩，更易發(fā)生墩柱的橫向位移和設計彎矩，因此對較高的排架橋墩，墩間應增設橫系梁；

9）采用新技術、新材料增強橋梁的減隔震，實現(xiàn)橋梁的抗震設計。比如減隔震支座，即鉛芯橡膠支座、雙曲面(球面)支座、阻尼器等。

5 結(jié)論

橋梁工程的抗震設計需要每個研究者的認真對待，它的設計體現(xiàn)在各個階段，是一項重要的系統(tǒng)工程。在可行性研究階段，應該將抗震概念的設計進行強化，選擇橋型和橋位的時候要合理一點；初步的設計階段，將抗震體系的設計強化，把合理的抗震驗算準則和設防標準確定下來，將結(jié)構(gòu)的總體進行分析，在設計的過程中，我們要重視抗震結(jié)構(gòu)的每一個細節(jié)。

參考文獻

[1]范立礎，李建中，王軍杰.高架橋梁抗震設計[M].人民交通出版社，2009．

[2]強士中，周璞.橋梁工程[M].西南交通大學出版社，2008.

[3]馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].人民交通出版社，2007.

[4]范立礎.橋梁抗震[M].人民交通出版社，2007．

[5]王松濤，曹資.現(xiàn)代抗震設防設計方法[M].中國建筑工業(yè)出版社，2008.