抗震理念在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

杜世森

摘 要：隨著橋梁工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，抗震設(shè)計(jì)面臨全新的要求。不僅需要充分應(yīng)用抗震理念，而且需要采取合適的技術(shù)，提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力?；诖?，分析橋梁工程發(fā)生震害的原因、抗震設(shè)計(jì)理念，并以某橋梁工程為例，對(duì)橋梁抗震理念在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述，希望能為相關(guān)工程提供參考。

關(guān)鍵詞：路橋工程;抗震理念;地震

中圖分類號(hào)：U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）29-0098-03

Application of Seismic Analysis Concept in Bridge Design

DU Shisen

（Xinyang Xintong Highway Survey and Design Co.， Ltd.， Xinyang Henan 464000）

Abstract： With the expansion of bridge construction scale， seismic design is facing new requirements. It is not only necessary to make full use of seismic concept， but also to adopt appropriate technology to improve the seismic capacity of bridge structure. Based on this， this paper first analyzes the causes of earthquake damage and seismic design concept of bridge engineering， and takes a bridge engineering as an example to elaborate the application of bridge seismic concept in bridge design， hoping to provide reference for related projects.

Keywords： road and bridge engineering;seismic concept;earthquake

地震是一種較為常見的自然災(zāi)害。高級(jí)別地震不僅會(huì)導(dǎo)致人員傷亡，還會(huì)對(duì)地面建筑物造成嚴(yán)重破壞。無(wú)論是道路還是橋梁，受地震的影響，均會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂、塌陷的情況，對(duì)交通運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，同時(shí)阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。所以，提高道路橋梁工程的抗震能力十分必要。設(shè)計(jì)階段需要充分利用抗震理念，有效提升工程抗震性能，為人們的安全出行提供保障。

1 橋梁工程震害及原因

1.1 基礎(chǔ)破壞

受地震的影響，橋梁易出現(xiàn)不同程度的損害，主要包括基礎(chǔ)變形、位移、沉降、扭曲及開裂等。地震中多數(shù)倒塌與基礎(chǔ)失效、砂土液化關(guān)系密切。砂土液化主要指飽和粉細(xì)砂不具備原有的抗剪能力，處于流動(dòng)的狀態(tài)[1]?；A(chǔ)破壞主要包括剪切破壞和彎曲破壞。如果橋梁截面剪切彎矩超過(guò)自身強(qiáng)度，截面便會(huì)出現(xiàn)裂縫。在地震荷載的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形，變形嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致橋梁混凝土脫落、內(nèi)部混凝土崩裂及鋼筋屈服等，造成橋梁結(jié)構(gòu)承載能力下降，引發(fā)彎曲破壞。如果地基承載力下降，上部土層的橋墩也會(huì)發(fā)生程度不一的傾斜、滑移等。如果地震的強(qiáng)度較大，土體結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，強(qiáng)度下降，引發(fā)不均勻沉降。如果內(nèi)力重新分布，將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)塌陷，不但會(huì)阻塞河流，而且會(huì)導(dǎo)致水位上升。此外，樁柱埋入深度不足也會(huì)導(dǎo)致橋墩受損[2]。

1.2 墩柱破壞

墩柱抗彎破壞的主要原因是延性不足，橫向約束箍筋配置不足，間距過(guò)大，搭接失效，縱筋過(guò)早切斷。墩柱剪切破壞的主要原因是抗剪強(qiáng)度不足，橫向箍筋配置不夠。

1.3 支座破壞

在橋梁抗震減傷的需求方面，支座的設(shè)計(jì)未得到設(shè)計(jì)人員的充分重視。在橋梁結(jié)構(gòu)中，連接與支擋之間的構(gòu)造措施不足。同時(shí)，橋梁建設(shè)過(guò)程中多存在支架材料質(zhì)量不佳、型號(hào)不符等問(wèn)題，對(duì)抗震效果造成了嚴(yán)重影響。如果支座失效，導(dǎo)致梁體間或梁、墩臺(tái)間位移較大，將引發(fā)伸縮縫、擋塊破壞甚至落梁。

2 路橋抗震設(shè)計(jì)理念

我國(guó)路橋抗震設(shè)計(jì)主要是在日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)延伸而形成的。從目前我國(guó)的具體情況出發(fā)，考慮到公路橋梁的重要性和在抗震救災(zāi)中的作用，本著確保重點(diǎn)和節(jié)約投資的原則，對(duì)不同橋梁要求不同的抗震安全度。具體來(lái)講，將公路橋梁分為A、B、C、D這4個(gè)抗震設(shè)防類別，并按抗震設(shè)防類別確定不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)防目標(biāo)?！豆窐蛄嚎拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01-2020）規(guī)定，E1地震作用下，各類橋梁要在彈性范圍工作，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度基本保持不變。E2地震作用下，A類橋梁局部可發(fā)生開裂，裂縫寬度也可超過(guò)容許值，但混凝土保護(hù)層應(yīng)保持完好，因?yàn)榈卣疬^(guò)程的持續(xù)時(shí)間比較短，地震后，在結(jié)構(gòu)的自重作用下，地震過(guò)程中開展的裂縫一般可以閉合，不影響使用，而結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)還在彈性范圍。B類、C類橋梁在E2地震作用下要求不倒塌，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能出現(xiàn)大幅度降低，鋼筋混凝土橋梁墩柱抗彎承載能力降低幅度不應(yīng)超過(guò)20%。E2地震作用下采用延性抗震設(shè)計(jì)，并引入能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則，確保結(jié)構(gòu)具有足夠的延性變形能力，即結(jié)構(gòu)的延性變形能力應(yīng)大于延性變形需求并有適當(dāng)?shù)陌踩珒?chǔ)備。通過(guò)能力保護(hù)設(shè)計(jì)，確保塑性鉸只在選定的位置出現(xiàn)，并且不出現(xiàn)剪切破壞等破壞模式。

由于地震發(fā)生的隨機(jī)性，它對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用也具有隨機(jī)性。按照地震烈度及規(guī)范規(guī)定計(jì)算地震作用、進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算，并不能保證結(jié)構(gòu)絕對(duì)安全。如果結(jié)構(gòu)方案不合理，構(gòu)造措施不當(dāng)，結(jié)構(gòu)抗震性能是無(wú)法達(dá)成計(jì)算所假定的效果的。這就需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中尋找最優(yōu)的抗震設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)。

第一，選擇合適的橋位和橋型。在場(chǎng)地地質(zhì)條件不連續(xù)、地震時(shí)地基可能產(chǎn)生較大相對(duì)位移的地段，不宜修建拱橋。在液化場(chǎng)地或軟弱土層場(chǎng)地，橋梁基礎(chǔ)應(yīng)穿過(guò)液化土層或軟土層。

第二，橋梁應(yīng)盡量采用對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式和均勻的布置方案。

第三，梁式橋一聯(lián)內(nèi)各橋墩的剛度不宜相差太大。

第四，多聯(lián)梁式橋相鄰聯(lián)的基本周期不宜相差太大。

第五，梁式橋一聯(lián)內(nèi)各橋墩剛度相差較大或相鄰聯(lián)基本周期相差較大時(shí)，宜采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行調(diào)整。

第六，梁式橋的矮墩不宜設(shè)置固定支座，宜設(shè)置活動(dòng)支座或板式橡膠支座。

第七，普通橋梁宜選擇完全延性結(jié)構(gòu)，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。一些關(guān)鍵橋梁通常不宜采用完全延性結(jié)構(gòu)，而應(yīng)當(dāng)選擇有限延性結(jié)構(gòu)或完全彈性結(jié)構(gòu)，以獲得較佳的抗震性能。對(duì)結(jié)構(gòu)破壞可能引起社會(huì)動(dòng)蕩、造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失（包括直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失）或?yàn)閲?guó)防、救災(zāi)提供緊急車輛通行的關(guān)鍵性橋梁，則宜選擇完全彈性結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)在小概率發(fā)生地震的作用下也能保持正常使用功能。

第八，一般的延性抗震橋梁選擇塑性耗能機(jī)制，即選擇結(jié)構(gòu)中預(yù)期出現(xiàn)塑性鉸的位置。在選擇塑性耗能機(jī)制時(shí)應(yīng)遵循能量準(zhǔn)則，以獲得最優(yōu)的耗能機(jī)制，并盡可能使預(yù)期的塑性鉸出現(xiàn)在易于發(fā)現(xiàn)和易于修復(fù)的結(jié)構(gòu)部位。

3 抗震理念在路橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

以某工程為實(shí)例展開分析。該橋梁位于一級(jí)公路上，抗震設(shè)防類別為B類。

3.1 設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1.1 明確參數(shù)。該橋梁工程抗震設(shè)防類型為B類，烈度為7度。場(chǎng)地類型為Ⅱ類，抗震措施等級(jí)為3級(jí)，E1地震作用重要性系數(shù)為0.43，E2地震作用重要性系數(shù)為1.30，抗震重要系數(shù)為0.43，特征周期為0.4 s，加速峰值的大小為0.1g（g為重力加速度）。

3.1.2 抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算。以單柱墩作為抗震設(shè)計(jì)的分析對(duì)象。通過(guò)分析，能夠得到支座頂面的縱向地震作用力和上部結(jié)構(gòu)受到橫向地震的作用力，明確各自對(duì)應(yīng)的水平位移情況，掌握橫橋向和順橋向的地震作用[3]，最后根據(jù)永久作用效果計(jì)算彈性狀態(tài)橋墩的強(qiáng)度值，明確橋墩柱的縱筋配置情況。

3.1.3 主要構(gòu)件設(shè)計(jì)。對(duì)橋梁工程來(lái)說(shuō)，墩柱和樁基是承受地震的關(guān)鍵構(gòu)件。設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要認(rèn)真計(jì)算各結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。明確樁基礎(chǔ)強(qiáng)度后，將E1地震作用作為設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，然后計(jì)算配筋率。在材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度、最不利軸力的情況下，計(jì)算橋梁方向極限彎矩值。根據(jù)對(duì)應(yīng)的剪力值和軸力值，對(duì)樁基的組合與直徑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，進(jìn)而確保樁基礎(chǔ)保持彈性狀態(tài)，以便計(jì)算承載力。如果存在與標(biāo)準(zhǔn)不符的問(wèn)題，要增加配筋率或者樁基。驗(yàn)算墩柱抗剪強(qiáng)度的過(guò)程中，以E1地震作用為基礎(chǔ)合理設(shè)計(jì)彈性，在E2地震下進(jìn)行延性設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)墩柱、蓋梁及基礎(chǔ)等進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)，計(jì)算橋梁、配筋率等相關(guān)的極限彎矩值。

3.2 抗震設(shè)計(jì)方法

3.2.1 合理選擇墩柱截面。墩柱截面和橋梁的抗震能力關(guān)系密切，在保證上部結(jié)構(gòu)、墩柱高墩保持一致的前提下，選擇4個(gè)不同的截面尺寸。E1抗震結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

通過(guò)分析數(shù)據(jù)可知：如果橋梁的墩高、橋?qū)捈翱鐝綑C(jī)構(gòu)明確，使用較大的截面，在實(shí)際設(shè)計(jì)階段會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中墩柱縱向配筋的數(shù)量增加，造成彎矩值增加，對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸變大;如果使用小斜面，抗彎強(qiáng)度難以達(dá)到規(guī)范要求。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)階段需要提高截面配筋率[4]。截面較大或者較小都難以滿足設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行合理的假定驗(yàn)算，并在驗(yàn)算的基礎(chǔ)上明確最終使用的截面大小。

3.2.2 合理選擇固定支座。對(duì)一聯(lián)橋梁來(lái)說(shuō)，特別是和橋臺(tái)連接的一聯(lián)，結(jié)構(gòu)中的固定支座盡量不要選擇矮墩，這主要是因?yàn)榘盏膭偠容^大，容易對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能造成影響。鉛芯橡膠支座具有良好的抗震效果，能夠有效減少主梁的相對(duì)殘余位移。

3.2.3 邊梁端設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)階段，需要確保邊梁端和墩柱的邊緣保持合理的距離，避免地震過(guò)程中橋梁發(fā)生縱向落梁[5]。為了能夠有效預(yù)防橫向形變，需要在上部結(jié)構(gòu)與橋梁相連的位置設(shè)置鋼筋混凝土橫向限位擋塊。采用這一方法，能夠有效避免地震災(zāi)害導(dǎo)致的水平位移，進(jìn)而減少落梁風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.4 單柱墩底塑性鉸區(qū)設(shè)計(jì)。單柱墩底塑性鉸區(qū)的密度較高，對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要根據(jù)墩柱截面長(zhǎng)邊尺寸或者墩柱高的20%進(jìn)行選擇，并比較兩個(gè)數(shù)值，選擇其中較大的數(shù)值作為加密長(zhǎng)度。加密箍筋的最合適間距為0.1 m。

3.2.5 承臺(tái)和獨(dú)柱墩下結(jié)點(diǎn)的連接設(shè)計(jì)。對(duì)該部位進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要確保墩柱垂直配筋和橫向箍筋的連續(xù)性。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要將墩底縱向柱鋼筋延伸至承臺(tái)的底部位置。圖1為設(shè)計(jì)示意圖。

在進(jìn)行路橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要做好基礎(chǔ)工作，還需要不斷更新設(shè)計(jì)理念。我國(guó)路橋抗震設(shè)計(jì)規(guī)范缺乏對(duì)國(guó)內(nèi)橋梁與國(guó)外橋梁結(jié)構(gòu)傳力系統(tǒng)差異性的關(guān)注，未對(duì)傳力路徑的差異展開針對(duì)性分析，因此不利于全面掌握路橋的實(shí)際情況。我國(guó)多數(shù)橋梁的下部結(jié)構(gòu)為橋墩，日本等國(guó)家使用鋼支撐，因此在抗震設(shè)計(jì)中存在一定的問(wèn)題。此外，傳力路徑方面在規(guī)范和設(shè)計(jì)中也存在明顯的差異。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)階段，需要充分結(jié)合工程的具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果發(fā)生大地震，需要允許橋梁發(fā)生一定程度的損壞，如結(jié)構(gòu)中的支座受損。該過(guò)程能夠消耗地震形成的大量能量，具有保護(hù)墩柱的作用[6]。橋梁結(jié)構(gòu)的支座具有一定的保險(xiǎn)作用，對(duì)提高工程抗震能力具有積極作用。在實(shí)際設(shè)計(jì)階段，可以適當(dāng)利用上部結(jié)構(gòu)和支座之間形成的摩擦消耗一定的能量，最大程度上減少地震對(duì)樁基造成的影響[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

抗震性能是評(píng)估橋梁工程安全性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中要積極使用抗震理念，有效提高工程的抗震能力。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員需要充分結(jié)合工程具體情況做好各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)工作，從而保障橋梁工程的安全性。

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