橋梁工程抗震設(shè)計分析

吳志魁

摘? ? 要：現(xiàn)階段，橋梁抗震工程是交通當中的重要組成部分，因此對橋梁工程的抗震進行研究是十分必要的?？拐鸶拍钤O(shè)計就是根據(jù)地震災害以及工程實踐當中的經(jīng)驗而總結(jié)得出的設(shè)計原則，根據(jù)這些設(shè)計原則對橋梁結(jié)構(gòu)的方案、材料等因素做出有針對性的設(shè)計，達到理想的抗震效果，利用最經(jīng)濟的方法來達到最佳的抗震目的。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;抗震設(shè)計

1? 地震破壞的主要類型

1.1? 彎曲破壞

結(jié)構(gòu)在水平地震荷載作用下由于過大的變形導致混凝土保護層脫落、鋼筋壓屈和內(nèi)部混凝土壓碎、崩裂，結(jié)構(gòu)失去承載能力。整個過程表現(xiàn)為如下形式，當彎矩達到開裂強度時，截面出現(xiàn)水平彎曲裂縫;隨著裂縫的發(fā)展和荷載強度的提高，受拉側(cè)的縱筋達到屈服強度;隨著變形量的增大，混凝土保護層脫落、塑性鉸范圍擴大;鋼筋壓屈（或拉斷）和內(nèi)部混凝土壓碎、崩裂。

1.2? 剪切破壞

在水平地震荷載作用下，當結(jié)構(gòu)受到的剪切力超過截面剪切強度時發(fā)生剪切破壞，整個破壞過程表現(xiàn)為如下形式：截面彎矩達到開裂強度時，截面出現(xiàn)水平彎曲裂縫;隨著裂縫的發(fā)展和荷載強度的提高，柱內(nèi)出現(xiàn)斜方向的剪切裂縫;局部剪切裂縫增大，箍筋屈服導致剪切裂縫進一步增長;發(fā)生脆性的剪切破壞。

1.3? 落梁破壞

當梁體的水平位移超過梁端支撐長度時發(fā)生落梁破壞。落梁破壞是由于梁與橋墩（臺）的相對位移過大，支座喪失約束能力后引起的一種破壞形式。

1.4? 支座損傷

上部結(jié)構(gòu)的地震慣性力通過支座傳到下部結(jié)構(gòu)，當傳遞荷載超過支座設(shè)計強度時支座發(fā)生損傷、破壞。支座損傷也是引起落梁破壞的主要原因。對于下部結(jié)構(gòu)而言，支座損傷可以避免上部結(jié)構(gòu)的地震荷載傳到橋墩，避免橋梁發(fā)生破壞。

2? 橋梁抗震設(shè)計方法

橋梁抗震設(shè)計是指根據(jù)地震災害和工程經(jīng)驗等獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，正確地解決結(jié)構(gòu)總體方案、材料使用和細部構(gòu)造，以達到合理抗震設(shè)計的目的。合理的抗震設(shè)計，可以使設(shè)計出來橋梁在強度、剛度和延性等指標上達到最佳的組合，使結(jié)構(gòu)能夠以最低的成本來實現(xiàn)抗震的目標。

2.1? 體系的整體性和規(guī)則性

橋梁的整體結(jié)構(gòu)要協(xié)調(diào)，上部結(jié)構(gòu)應盡可能是連續(xù)的。較好的整體性結(jié)構(gòu)可有效防止構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時被震散掉落，同時它也是結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用的基本條件。不管是在平面還是在立體上，結(jié)構(gòu)的設(shè)計都要力求使橋梁在質(zhì)量、剛度、幾何尺寸等方面協(xié)調(diào)勻稱，避免突然變化。

2.2? 樁基礎(chǔ)和墩柱設(shè)計

單柱墩的頂部位置中存在一定的塑性鉸區(qū)域，在考慮了地震的影響之下就能夠計算出所需要的配筋。同時，還可以根據(jù)橋梁的順橋向以及橫橋向的極限彎曲值來進行計算，最為主要的是計算出材料的強度以及超強系數(shù)等。在對樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式進行設(shè)計的過程中，必須要考慮到很多外在因素的影響，而極限彎矩值是非常重要的一個因素，并且能夠確定配筋的數(shù)量以及布置形式，還能夠根據(jù)剪力分布情況得出墩柱的高度尺寸;軸力值的設(shè)計計算必須要結(jié)合橋梁寬度、跨數(shù)以及跨徑等進行分析，從而確定最為合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式。樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是以豎向承載力為主要考慮對象，否則將不能保證橋梁具備足夠的抗震性能。完成了計算之后，應該應用軸力值以及剪力值對橋梁的結(jié)構(gòu)形式進行反復驗算，確保最終的橋梁結(jié)構(gòu)強度滿足交通運行的需要。

2.3? 提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強度和延性

抗震設(shè)計要力圖使從地基傳入結(jié)構(gòu)的振動能量為最小，并使結(jié)構(gòu)具有適當?shù)膹姸?、剛度和延性，以防止不能容忍的破壞。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(jié)構(gòu)變形;強度與延性則是決定結(jié)構(gòu)抗震能力的兩個重要參數(shù)。由于地震可造成結(jié)構(gòu)和構(gòu)件周期反復變形，使其剛度與強度逐漸退化，因此，只重視強度而忽視延性不是最佳的抗震設(shè)計。

2.4? 橋墩長度計算

當前公路橋梁多為多跨簡支梁以及連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，在計算橋墩承載力時，橋墩取極端長度為l0的值。在實際的多跨簡支橋梁以及連續(xù)橋梁的橋墩中，在水平力作用下墩頂常常會出現(xiàn)一定的水平位移，故橋墩計算長度系數(shù)β一般在1～2的范圍以內(nèi)。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，β常常受到諸多因素的影響，比如橋墩高度、剛性強度、支座的特性以及上下部構(gòu)造對墩柱約束等。因此，工程項目中β的取值常常與規(guī)定值有較大的出入，這也會導致其橋梁承載力的計算比較保守。借助三維有限元軟件則能夠很好的模擬出橋梁結(jié)構(gòu)空間受力基本特征，通過對實際施工過程及使用狀態(tài)進行相關(guān)模擬，得出與實際要求較為接近的橋梁結(jié)構(gòu)空間受力情況。通過對橋梁結(jié)構(gòu)施工過程以及具體使用情況進行相應模擬，使得橋梁結(jié)構(gòu)計算上得到了一定優(yōu)化，滿足相關(guān)的橋梁設(shè)計需求，同時橋梁的抗震能力得到顯著提升。下面主要介紹使用有限元軟件得出β值，進而提升橋梁長度l0的精度對于等直徑的橋墩，墩身的抗推剛度需要滿足要求：K=3EI/H3;而對于非等直徑的橋墩，其抗推剛度要求為：K=3EI/[（H3+H2+H1）3-（H2+H1）3];有限元軟件中構(gòu)建的抗推剛度要求為：K=力/位移=F/δ（kN/m）。對于橋梁結(jié)構(gòu)而言，上部結(jié)構(gòu)在具體施工開始前，將單獨一個橋墩的抗推剛度標記為K墩;上部結(jié)構(gòu)施工完成后，因為一聯(lián)橋梁的各個橋墩存在彈性連接，就等同于在橋墩的墩頂加上了彈性抗推剛度K彈，這便可以得出一聯(lián)橋梁中的抗推剛度為K合=K墩+K彈。如果忽略掉墩頂彈性約束，則有K合=K墩;但如果墩頂?shù)膹椥约s束不可忽略，且彈性約束K彈為無窮大，則相當于墩頂鉸接。同時依照相關(guān)判斷，對墩頂?shù)妮S向受壓臨界值進行判斷便可以得出墩柱計算長度系數(shù)β。

3? 橋梁抗震設(shè)計的相關(guān)問題

3.1? 橋梁抗震概念設(shè)計

抗震概念設(shè)計是根據(jù)地震災害以及工程經(jīng)驗獲得的設(shè)計思想，能夠有效的達到合理抗震的設(shè)計目的。合理抗震設(shè)計要求作品能夠達到強度、延性等指標的最佳組合，從而利用最為經(jīng)濟的方法來達到抗震設(shè)防的目標。需要指出的是，我們雖然強調(diào)概念設(shè)計的重要性，但并不代表因此忽視了對于樹脂的計算，這是為了能夠創(chuàng)造更加有利的條件，從而保證計算分析的結(jié)果能夠完整反映出地震時結(jié)構(gòu)的真實反應。

3.2? 地震響應分析及設(shè)計方法的改變

從地震的振幅等要素來看，在靜力理論當中只考慮了高頻振動的最大值;而在反應譜理論當中雖然考慮到了振幅以及頻譜等因素，但并沒有對持時進行明確反映;動力理論則在考慮到持時的基礎(chǔ)上，還考慮到了其余特性。從組成結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論的四個不同方面看來，靜力理論對其都做到了簡化，而動力理論則能夠更加全面地考慮到其他因素，此外其模型也更加接近實際，地震反應法考慮到了地震之后結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種反應的過程，而設(shè)計原則在其他理論的基礎(chǔ)上考慮到了安全概率等其他方面。

4? 結(jié)語

綜上所述，加強橋梁抗震設(shè)計的研究能夠有效預防地震對橋梁帶來的破壞。在研究過程中，研究人員需要認真分析抗震破壞的主要形式以及設(shè)計原則，探討橋梁抗震設(shè)計的相關(guān)問題，更多的了解我國橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的建設(shè)，從各方面來降低地震給橋梁帶來的損傷，嚴格控制工程質(zhì)量，使運輸線路保持暢通，提高我國經(jīng)濟的快速發(fā)展。

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