橋梁抗震設(shè)計(jì)的探析

劉秀艷

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，橋梁工程在我國是連接不同區(qū)域之間的重要紐帶，但由于我國很多區(qū)域處于地震帶上，對(duì)橋梁的抗震性能要求較高，因此，需要在設(shè)計(jì)之初做好抗震設(shè)計(jì)，提升橋梁工程的抗震性能。論文分析了地震對(duì)橋梁的影響，探究了橋梁工程中橋梁抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，提出了抗震設(shè)計(jì)期間需要注意的事項(xiàng)[1]。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;抗震設(shè)計(jì);荷載;關(guān)鍵點(diǎn)

0 引言

在橋梁的建設(shè)中應(yīng)對(duì)橋梁防震害的設(shè)計(jì)水平重點(diǎn)研究，使其不斷提高，結(jié)合使用科學(xué)有效的防震抗震加固技術(shù)措施，提高橋梁的穩(wěn)固性能，使其能夠發(fā)揮良好的抵御自然災(zāi)害的作用，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活的穩(wěn)定。

1 橋梁隔震設(shè)計(jì)的重要性

橋梁無論在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性上還是在整個(gè)生命線工程中，均為重要的工程結(jié)構(gòu)類型。基于此，橋梁抗震及其設(shè)計(jì)得到了很多專家學(xué)者的高度重視?？拐鹪O(shè)計(jì)主要是從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與延性兩個(gè)方面考慮，確保橋梁整體抗震能力可以承受設(shè)計(jì)確定的地震荷載。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，要投入大量材料，增加工程造價(jià)，而且還很難達(dá)到預(yù)期抗震效果。近年來，很多國家都進(jìn)行了橋梁減隔震方面的研究，在隔震技術(shù)中引入了相關(guān)科研成果。我國是一個(gè)地震災(zāi)害多發(fā)的國家，一旦發(fā)生強(qiáng)震，將會(huì)引起橋梁震害。

2 橋梁震害的原因分析

根據(jù)橋梁不同結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，因地震的摧毀所引起的傷害程度的不同可分為下列幾種情況：（1）在遇到突發(fā)強(qiáng)力地震時(shí)，橋梁的兩側(cè)因地形地貌的嚴(yán)重畸變而造成橋梁道路兩岸的地層出現(xiàn)滑移，致使橋梁的結(jié)構(gòu)受到一定程度的損壞。（2）由于強(qiáng)烈的地震災(zāi)害所帶來較大的沖擊力，使橋梁的橋墩部位出現(xiàn)表面破裂、形體畸變歪斜、結(jié)構(gòu)外露等諸多損壞的現(xiàn)象。（3）對(duì)橋梁地基造成的損壞，在地震超強(qiáng)的沖擊力的影響下，將會(huì)使橋梁河床的沙土出現(xiàn)液化，導(dǎo)致橋梁地基表面出現(xiàn)平整度不一的情況，也會(huì)造成橋梁墩臺(tái)等原有的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下沉而受到損壞。（4）由于橋梁具備一定的承受力限制，地震所帶來的特殊的形態(tài)變化將會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)及材料嚴(yán)重受到損害，使其無法承受強(qiáng)大的地震沖擊力。

3 橋梁隔震設(shè)計(jì)原則

（1）對(duì)于特定橋梁而言，其是否適合隔震，需要以固定周期增長以后，整個(gè)系統(tǒng)是否可以增加地震過程中吸收的能力為依據(jù)進(jìn)行判斷。與此同時(shí)，設(shè)置隔震裝置以后，應(yīng)確保橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間不會(huì)出現(xiàn)耦聯(lián)振動(dòng)效應(yīng)。（2）在實(shí)際的橋梁工程設(shè)計(jì)過程中若使用隔震裝置，則橋梁上部結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生地震的過程中出現(xiàn)的位移不能影響橋梁正常使用。（3）橋梁采用隔震措施后，其抗震性能應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的性能以上。（4）橋梁采用隔震措施，基礎(chǔ)周圍地基必須具備良好的場(chǎng)地條件，如果橋梁處在軟基地段，則一般不建議設(shè)置隔震裝置。（5）應(yīng)優(yōu)先考慮結(jié)構(gòu)簡單且隔震性能滿足要求的隔震裝置，同時(shí)要在其力學(xué)性能要求的范圍之內(nèi)。

4 橋梁工程中橋梁抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的橋梁抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

橋梁抗震設(shè)計(jì)的過程中，可以先設(shè)計(jì)模型，提高設(shè)計(jì)工作的效率，解決了設(shè)計(jì)工作中，大量的前期預(yù)算的準(zhǔn)備工作，如模型設(shè)計(jì)的合理性、抗震效果的實(shí)用性以及預(yù)估突發(fā)地震時(shí)，會(huì)給橋梁造成的影響和損害。因此，還須參考性的使用實(shí)際的數(shù)據(jù)信息，不能僅局限于以模擬器所提供的數(shù)據(jù)信息作為參考依據(jù)，無法確保橋梁的防震害設(shè)計(jì)達(dá)到規(guī)定的要求。為使橋梁抗震害設(shè)計(jì)符合規(guī)定的要求并且具有一定的實(shí)操性，須制定合理性的設(shè)計(jì)方案，負(fù)責(zé)橋梁工程防震害設(shè)計(jì)項(xiàng)目的工程師，必須事先掌握施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，熟悉橋梁周邊的地質(zhì)環(huán)境的狀況，找準(zhǔn)防震害加固設(shè)計(jì)的最佳位置，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的橋墩基礎(chǔ)形式，使設(shè)計(jì)工作順利開展。還須制定橋梁抗震設(shè)計(jì)方案的可行性標(biāo)準(zhǔn)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求。在開展設(shè)計(jì)工作中，須根據(jù)當(dāng)?shù)厥転?zāi)區(qū)域，地震的振幅、頻率大小、土質(zhì)類型、氣候特征等方面進(jìn)行考察了解。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在實(shí)際的工作中，針對(duì)橋梁的薄弱位置特點(diǎn)、與各部位之間的關(guān)聯(lián)情況及承重特點(diǎn)等方面進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際的情況來制定可行的設(shè)計(jì)方案，還須注意保證預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高橋梁的抗震耐受性能，應(yīng)預(yù)測(cè)將會(huì)出現(xiàn)的相關(guān)問題，以防止出現(xiàn)其他的安全隱患，影響了抗震設(shè)計(jì)的工作效果。

4.2 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)，是最早采取的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)元素為強(qiáng)度。設(shè)定地震力作為結(jié)構(gòu)分析的荷載，將其假設(shè)為靜荷載，測(cè)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件屬性的合格狀態(tài)。構(gòu)件屬性包括其強(qiáng)度與剛度，測(cè)量此兩種屬性在特定狀態(tài)時(shí)的失效表現(xiàn)。此種以強(qiáng)度為設(shè)計(jì)原則的方法，仍然沿用在諸多抗震設(shè)計(jì)工作中，是一種頗為有效的抗震設(shè)計(jì)方法。

4.3 延性設(shè)計(jì)

依據(jù)地震中實(shí)際產(chǎn)生的橋梁結(jié)構(gòu)破壞問題，總結(jié)彈塑性破壞特點(diǎn)，部分學(xué)者提出的抗震設(shè)計(jì)思想為延性，以延性為基礎(chǔ)開展的抗震設(shè)計(jì)，具有反應(yīng)譜特點(diǎn)。此種抗震設(shè)計(jì)方法，借助地震力完成系數(shù)修正程序，科學(xué)優(yōu)化反應(yīng)譜的加速進(jìn)程，有效開展地震內(nèi)力的性能分析，全面反映出各類結(jié)構(gòu)延性的內(nèi)在需求。

4.4 強(qiáng)化結(jié)構(gòu)體系的橋梁抗震設(shè)計(jì)措施

橋梁的整體結(jié)構(gòu)屬于比較復(fù)雜的構(gòu)件體，由于地震災(zāi)害對(duì)橋梁的各個(gè)結(jié)構(gòu)比較容易造成不可避免地?fù)p害，如螺絲脫落的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，尤其是橋梁的重要部位，若出現(xiàn)被損害或者螺絲脫落等其他的故障問題，將會(huì)使橋梁的安全性能以及穩(wěn)固性能受到很大的影響。為使橋梁的各個(gè)構(gòu)件提升其穩(wěn)定性能，須優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，注重橋梁各個(gè)構(gòu)件之間的連接設(shè)計(jì)，從其穩(wěn)定性與抗震害的強(qiáng)度方面加以提升，以達(dá)到橋梁的每個(gè)部位結(jié)構(gòu)間空間的合理性，促進(jìn)了橋梁各個(gè)部位的連接性，突出了抗震設(shè)計(jì)效果的合理性。需注意橋梁各個(gè)構(gòu)件的受壓程度以及抗震害的承受能力，因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)減低抗震害風(fēng)險(xiǎn)、穩(wěn)定橋梁構(gòu)件的抗壓能力為設(shè)計(jì)目標(biāo)，加強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。采用科學(xué)有效的措施，提高橋梁在面臨地震災(zāi)害時(shí)的抵御能力，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)，可防止地震災(zāi)害時(shí)出現(xiàn)變形的現(xiàn)象;提高橋梁結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)，可有效預(yù)防橋梁在地震災(zāi)害中承受地震超強(qiáng)的沖擊力所帶來的損壞[2]。

4.5 橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)遵循因地制宜的原則

為使橋梁抗震效果得到保障，在具體的設(shè)計(jì)中，必須遵循因地制宜的設(shè)計(jì)原則。在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)先熟悉地震區(qū)域的地質(zhì)信息、水文信息以及地震的等級(jí)信息等實(shí)際情況，然后根據(jù)這些實(shí)際情況，制定科學(xué)的、合理的抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的橋梁結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確分析橋梁內(nèi)力的變形數(shù)值，制定有效的設(shè)計(jì)方案。以此作為初步的設(shè)計(jì)方案，在后續(xù)的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)以初步的設(shè)計(jì)方案為參考依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)橋梁進(jìn)行減震的設(shè)計(jì)方式完成后續(xù)的設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，還需要編制地震應(yīng)急預(yù)案，以保證橋梁整體結(jié)構(gòu)的抗震性能有效提高。在具體的設(shè)計(jì)工作中，對(duì)結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)應(yīng)采用直線的橋梁軸線形式，因?yàn)榍€的結(jié)構(gòu)形式穩(wěn)定性能較差。若是采用直線的橋梁軸線形式，可使橋梁軸線與河道之間相互垂直，使受力形式得到極大的簡化，因此，設(shè)計(jì)的方案應(yīng)考慮其合理性。若是在橋梁加固設(shè)計(jì)的過程中防止橋梁出現(xiàn)斷層的情況，需要選擇筒支體系展開設(shè)計(jì)工作，保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，避免橋梁出現(xiàn)倒塌的現(xiàn)象。為保證橋梁的抗震性能的良好，建議采用拱橋的設(shè)計(jì)方式，拱橋是在橋梁河岸的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的情況下采用的設(shè)計(jì)方式，也是在橋梁兩邊側(cè)方的邊坡不夠穩(wěn)固的情況下需要使用的設(shè)計(jì)方法。

5 橋梁減隔震設(shè)計(jì)常用裝置

5.1 分層橡膠支座

減隔震常用裝置以支座為主體表現(xiàn)形式，材質(zhì)有分層橡膠、鉛芯橡膠兩種。分層橡膠材質(zhì)制成的支座，在國內(nèi)通常稱之為板式支座。分層橡膠支座的制作方式：薄質(zhì)橡膠片交替結(jié)合于薄質(zhì)鋼板，在橡膠片與鋼板交替形式下，完成制作;支座設(shè)計(jì)較為靈活，包括圓形、矩形。在抗震設(shè)計(jì)過程中，較為關(guān)注的是分層橡膠支座制成后，其在水平剛度、阻尼等使用效果。水平剛度具體指的是橡膠支座上下兩個(gè)板面區(qū)域，在產(chǎn)生一定量位移時(shí)，外界應(yīng)施加的剪切力，此剪切力以水平方向?yàn)橹?。橡膠支座在發(fā)生形變時(shí)，將會(huì)完成地震能量消耗，能量消耗的過程借助阻尼予以完成，阻尼的使用依賴于橡膠層形變情況。當(dāng)支座制作材料為天然橡膠時(shí)，阻尼比設(shè)計(jì)范圍為5%～10%。分層橡膠支座在實(shí)際使用期間，受力分析獲取其位移情況發(fā)現(xiàn)：位移變化較小，消化地震能量表現(xiàn)較為優(yōu)異，由此推斷分層橡膠阻尼數(shù)值較小。為此，在橋梁工程開展減隔震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合阻尼器共同使用，效果優(yōu)異。

5.2 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座的制作形式為在橡膠支座板式的制作完成時(shí)，在橡膠支座中心位置完成鉛芯壓入，此種鉛芯具有較高純度，以此提升支座阻尼應(yīng)用性能，保障減震效果。鉛芯的力學(xué)屬性表現(xiàn)較為優(yōu)異，其屈服剪力數(shù)值較低，僅有10 MPa，

同時(shí)其初始剪切剛度較大，高達(dá)130 MPa，其彈塑性能力優(yōu)異，在對(duì)抗塑性循環(huán)時(shí)耐久性較強(qiáng)，保障在地震作用背景下，順應(yīng)耗能、靜力荷載的各項(xiàng)需求。因此，鉛芯壓入分層橡膠支座中，獲得了鉛芯橡膠支座，其具有較為優(yōu)異的減隔震性能，滿足橋梁工程對(duì)減隔震裝置的各項(xiàng)需求。鉛芯橡膠支座能夠在水平力較低的情況下，以較高初始剛度性能抵抗地震能量，產(chǎn)生較小形變。在地震能量作用背景下，鉛芯具有屈服能力，降低其初始剛度，以此科學(xué)延長了橋梁工程使用壽命，有效抵消地震傳遞的能量，減少地震連鎖反應(yīng)，合理規(guī)避地震帶來的橋梁破損問題。

6 結(jié)語

橋梁的抗震害設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循因地制宜、安全性能高、穩(wěn)定性及抗沖擊力強(qiáng)的設(shè)計(jì)原則，制定科學(xué)、合理、可行性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使抗震設(shè)計(jì)各個(gè)階段的工作順利開展?？拐鸺庸碳夹g(shù)是橋梁設(shè)計(jì)工作中重要的環(huán)節(jié)，橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ溃瑢?duì)人們的生活安定性影響較大。因此，加固橋梁使其抗震性能提高，對(duì)地震災(zāi)害突發(fā)時(shí)橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固和橋墩包括橋梁整體結(jié)構(gòu)的抗耐性能的提高有保障作用[3]。

參考文獻(xiàn)：

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[3]高永，項(xiàng)敬輝，謝雪峰.高地震烈度區(qū)省道橋梁設(shè)計(jì)重難點(diǎn)分析[J].天津建設(shè)科技，2020（2）：72-74.