關于惠州市橋梁抗震設計的探討

曾利強

(惠州市道路橋梁勘察設計院,廣東惠州 516001)

關于惠州市橋梁抗震設計的探討

曾利強

(惠州市道路橋梁勘察設計院,廣東惠州 516001)

橋梁作為現(xiàn)代交通重要運輸通道,對于抵抗地震作用的要求很高。首先對橋梁在地震作用下的主要破壞形式及橋梁抗震設計進行了總結,然后以惠州市為代表,論述了低烈度地區(qū)橋梁抗震設計的基本思路和方法,有關經(jīng)驗可供相關專業(yè)人員參考。

橋梁;低烈度地區(qū);抗震;方法

0 前言

伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,近年來惠州市新建了大量橋梁,這些橋梁的建成對促進惠州當?shù)亟煌ňW(wǎng)絡形成與暢通,促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展起到了至關重要的作用。由于地震越來越頻繁地在世界各地發(fā)生,現(xiàn)代橋梁抗震性能的設計問題也逐漸成為廣大人民群眾所關注的熱點問題。為達到橋梁合理的抗震性能,橋梁結構抗震研究的重要性不言而喻?；葜莸靥帍V東省東南部,就我國建筑抗震設防區(qū)劃來講,地震基本烈度為6度,設計地震基本加速度為0.05 g,為低烈度地區(qū)。對于這種低烈度地區(qū)的抗震設計研究,相關理論已經(jīng)非常成熟,但對于這類低烈度地區(qū)的抗震設計思路和方法的總結較少,造成了一些設計人員思路混亂,因此有必要針對這種低烈度地區(qū)的抗震設計進行總結歸納。

1 橋梁在地震作用下的主要破壞形式

分析過去橋梁地震的破壞情況,其結構破壞主要表現(xiàn)在以下四種形式:

(1)支座破壞。橋梁支座是橋梁結構體系中抗震性能比較薄弱的環(huán)節(jié)。在地震力的作用下,由于支座設計沒有充分考慮抗震要求,上部結構的地震慣性力通過支座傳到下部結構,當傳遞荷載超過支座設計極限強度時,支座發(fā)生破壞。支座破壞引起橋梁傳力路徑改變甚至中斷,嚴重的會引起落梁。

(2)落梁破壞。落梁破壞是橋梁震害的主要形式。落梁破壞是當梁板的水平位移超過橋梁梁端的支撐長度時,梁板與墩臺之間的相對位移逐漸增大,從而使支座失效喪失了對橋梁約束能力的一種破壞形式。

(3)彎曲破壞。在地震荷載的作用下,橋梁結構產(chǎn)生變形,由于過大的變形會導致橋梁混凝土層的脫落、內(nèi)部混凝土崩裂以及鋼筋屈服斷裂,從而導致橋梁結構喪失承載能力。

(4)剪切破壞。在地震荷載的作用下,橋梁受到的剪切力超過了自身的剪切極限強度便會發(fā)生剪切破壞。

2 橋梁抗震設計［1-5］

2.1 橋梁抗震設計原則

經(jīng)過數(shù)次的橋梁震害教訓,目前橋梁抗震設計應盡可能遵循以下基本原則,以使橋梁結構在強度、剛度和延性等指標上取得最佳的抗震效果。

(1)合理選擇場地。根據(jù)地震危險性分析盡可能選擇比較安全的場地,橋位選擇在抗震有利地段,盡量避開不利地段,避開危險地段,橋梁基礎盡量建立在可靠的地基上,否則地基土的液化會加大地震反應。在抗震不利、危險地段布設橋梁時,宜對地基采取適當抗震加固措施。

(2)能力保護設計原則。通過設計,使結構體系中的延性構件和能力保護構件形成強度等級差異,確保結構構件不發(fā)生脆性的破壞模式。具體來說,就是要選擇理想的塑性鉸位置,通過強度和延性設計,確保其延性抗震能力;而不利的塑性鉸位置或破壞機制(脆性破壞)則要通過提供足夠的強度加以避免。

(3)提高結構與構件的強度和延性。橋梁結構的地震破壞源于地震引起的結構振動,因此橋梁抗震設計要使從地基傳入結構的振動能量為最小,使結構具有適當?shù)膹姸?、剛度和延?以防止橋梁倒塌、破壞。在不增加重量、不改變剛度的前提下,提高總體強度和延性是兩個有效的抗震途徑。剛度的選擇有助于控制結構變形;強度與延性則是決定結構抗震能力的兩個重要參數(shù)。由于地震是周期反復作用的運動,還要注意周期反復變形下結構和構件的剛度與強度的退化效應。

(4)采取有效抗震措施,提高抗震效果。對連續(xù)梁和橋面連續(xù)的簡支梁橋,要采取防止橫向落梁的措施,同時設置限位裝置,保證在中小地震作用下不因位移過大導致伸縮縫等連接部件發(fā)生損壞。建設在軟弱性土層、液化土層和地層顯著不均勻地段的橋梁,宜采用整體剛度較高的結構體系;橋梁聯(lián)內(nèi)的剛度、質(zhì)量分布均衡,橋梁墩臺分擔的地震作用合理;相鄰橋梁之間預留足夠的距離,防止發(fā)生地震碰撞,曲線橋、斜橋應考慮轉(zhuǎn)動引起的橋梁橫向位移;合理選擇潛在塑性區(qū)的位置,提高橋梁結構的延性,基礎、拱肋、蓋梁不宜作為耗能構件設計。

(5)設置多道抗震防線。應盡量使橋梁結構成為具有多道抵抗地震力的體系,在地震力作用下,當?shù)谝坏婪谰€破壞后還有第二道防線可以支撐結構,防線越多,便可以越有效的避免橋梁倒塌、落梁。

2.2 橋梁抗震勘察設計

(1)路線設計時適當考慮橋位選址。橋位應選擇在抗震有利地段,盡量避開不利地段,避開危險地段。選擇橋址時,應避開地震時可能發(fā)生地基失效的松軟場地,選擇堅硬場地。基巖、堅實的碎石類地基、硬粘土地基是理想的橋址場地;飽和松散粉細砂、人工填土和極軟的粘土地基或不穩(wěn)定的坡地都是危險地區(qū)。橋梁的基礎盡量建立在可靠的地基上,否則地基土的液化會加大地震反應。

(2)加強巖土工程勘察力度,應包括各土層的巖土特性參數(shù)、地基承載力、場地類別、液化判別、地震穩(wěn)定性、剪切波速測試結果、地基及基礎建設方案等方面內(nèi)容。當橋址位于抗震不利地段時,應做出相應的巖土地震穩(wěn)定性如滑坡、崩塌、液化和震陷特性等及發(fā)震斷裂對橋梁抗震性能的影響評價。對有特殊土動力學性質(zhì)的場地,還應給出明確的抗震性能評價結果。巖土工程勘察報告給出場地類別依據(jù)應準確可靠,波速測試孔數(shù)量和布置符合現(xiàn)行橋梁抗震設計規(guī)范要求,液化判別和液化等級評定、不利和危險地段的判斷及發(fā)震斷裂評價等正確。

2.3 橋梁抗震加固措施

針對橋梁在地震中的震害類型，目前，國內(nèi)外橋梁抗震加固主要采取以下技術措施:

(1)在伸縮縫、鉸和梁端等上部接縫處采用拉桿、擋塊或者增加支承面寬度等措施，以防止落梁震害的發(fā)生。

(2)增加鋼筋混凝土橋墩的橫向約束，提高其抗彎延性和抗剪強度，防止橋墩彎曲和剪切破壞。

(3)采用減隔震技術及專門的耗能裝置，提高橋梁的抗震性能,如采用鉛芯橡膠耗能支座和智能支座來有效降低地震力對橋梁的沖擊。

(4)橋梁墩臺的加固可采用加大截面積加固法、外包鋼板加固法、鋼纖維混凝土加固法以及復合材料、碳纖維加固法等幾種主要的技術。

(5)無筋混凝土結構,早期用磚石材料建造的橋梁在地震力作用下隨時會發(fā)生脆性破壞,一般采用混凝土襯套法以及鋼板襯套法,使襯套與墩臺緊密結合成為一個整體,可有效抵御地震震害。

3 惠州市橋梁抗震設計思路和方法

惠州市地震基本烈度為6度,設計地震基本加速度為0.05 g,為低烈度地區(qū)。根據(jù)現(xiàn)行的《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02-2013)3.1.4規(guī)定,對橋梁抗震設防類別為C類和D類橋梁,按所在區(qū)域地震基本烈度進行設防;對橋梁抗震設防類別為A類和B類橋梁,提高一度進行抗震設防,因此惠州市橋梁以6度或7度設防即可。

3.1 橋梁抗震構造措施

(1)6度區(qū)的橋梁為避免地震時落梁,最有效的方法是提供足夠的支撐長度。根據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)11.2.1規(guī)定,簡支梁梁端至墩、臺帽或蓋梁邊緣應有一定的最小距離。其最小值a(cm)按式(1)計算:

式中:L為梁的計算跨徑(m)。

(2)7度區(qū)的橋梁抗震措施,除應滿足6度區(qū)外,還應在梁板與梁板之間,梁板與橋臺背墻之間加裝橡膠墊或其他彈性襯墊等緩沖設施。對于橋面不連續(xù)的簡支橋,一般采用擋塊,螺栓連接和鋼夾板連接等防止橫、縱方向落梁。

(3)在不利區(qū)域建橋時,應合理布置橋孔,使橋墩、橋臺避開地震時可能滑動的地形。否則,應增加橋梁基礎的埋置深度和增強基礎抗側移的剛度。必要時,還可以在基礎之間設置支承梁或用漿砌片石鋪砌河床。

3.2 注重抗震概念設計

橋梁的抗震設計一般都要包括五方面:抗震設防標準選定、抗震概念設計、地震反應分析、抗震性能驗算以及抗震構造設計。抗震概念設計是指根據(jù)地震災害和工程經(jīng)驗等獲得的基本設計原則和設計思想,正確地解決結構總體方案、材料使用和細部構造,在強度、剛度和延性等指標上最佳組合,以達到抗震設防的目標?？拐鸶拍钤O計并非不重視數(shù)值計算,而是為了給抗震計算創(chuàng)造出有利條件,使計算分析結果更能反映地震時結構反應的真實情況。橋梁抗震概念設計階段的主要任務是選擇良好的抗震結構體系,主要根據(jù)橋梁結構抗震設計的一般要求進行。對于采用延性抗震概念設計的橋梁,還包括延性類型選擇和塑性耗能機制選擇。概念設計決定橋梁的抗震性能,如果概念設計不適宜于抗震,那么不管進行多詳細的計算和分析也是無濟于事。當然,在做好概念設計的基礎上也必須認真計算做好定量分析,定量的設計計算是橋梁抗震的最基本部份,抗震措施的使用不能導致上述計算結果的失效。

3.3 力求做到延性抗震設計

地震之所以造成橋梁結構破壞甚至倒塌,在于它激起的地震慣性力超過了結構的極限強度。假如完全依靠強度來抵抗地震作用,無疑會造成材料的巨大浪費。目前大多數(shù)國家的橋梁抗震設計規(guī)范己經(jīng)從傳統(tǒng)的強度理論向延性抗震理論過渡,這種設計思想不但能借助結構選定部位的塑性變形來消耗地震能量,還能延長結構周期,從而減小地震反應,實現(xiàn)抵抗地震的作用。因此,在工程抗震中,一般都希望利用結構和構件的延性抗震,即利用塑性鉸減小地震力,消耗能量。

延性抗震設計應正確選擇潛在塑性鉸鏈的位置,橋梁塑性鉸的位置通常在便于發(fā)現(xiàn)和易于修復的墩柱下端或上端。通常把鋼筋混凝土墩柱按延性構件設計,可以發(fā)生彈塑性變形,消耗地震能量。橋墩塑性鉸區(qū)域長度用于確定延性橋墩箍筋加密段的長度,橋梁墩柱的縱向鋼筋應盡可能延伸至蓋梁和承臺的另外一個側面,縱向鋼筋的錨固和搭接長度應在現(xiàn)行規(guī)范要求的基礎上增加10倍縱向鋼筋的直徑長度,不應在塑性鉸區(qū)域進行縱向鋼筋的連接。

4 結語

作為一種自然現(xiàn)象,地震的發(fā)生是無法避免的。就橋梁結構而言,可以通過一定的抗震措施來減少地震對其結構的破壞,將地震造成的損失降到最低,并為震區(qū)的震后交通生命線暢通和救災工作的順利進行提供有力保障。本文總結了橋梁在地震作用下的主要破壞形式及橋梁抗震設計方法,并以惠州市為代表,論述了低烈度地區(qū)橋梁抗震設計的基本思路和方法,提出對于低烈度地區(qū)的橋梁抗震設計應做好概念設計,力求做到延性抗震設計,促進我國橋梁事業(yè)的蓬勃發(fā)展。

［1］ JTG B02-2013，公路工程抗震規(guī)范［S］.

［2］ JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設計細則［S］.

［3］ 王克海，韋韓，李茜，等.中小跨徑公路橋梁抗震設計理念［J］.土木工程學報，2012，45(9):115-121.

［4］ 李建中，管仲國.基于性能橋梁抗震設計理論發(fā)展［J］.工程力學，2011(2):24-30.

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U442.5+5

B

1009-7716(2015)03-0069-03

2014-11-25

曾利強(1983-),男,廣東惠州人,工程師,從事路橋設計工作。