橋梁抗震設(shè)計要點及減隔震技術(shù)的應(yīng)用分析

胡迎新

（1.中南大學(xué)，湖南 長沙 410075；2.湖南中大設(shè)計院有限公司，湖南長沙 410075）

0 引言

橋梁工程是重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是連接區(qū)域交通的生命線，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，橋梁結(jié)構(gòu)受到破壞或倒塌，會引起一系列的次生災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟損失。根據(jù)以往經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，許多事故都是由于抗震設(shè)計不合理造成的，因此需要不斷完善設(shè)計規(guī)范，推出新的抗震技術(shù)，采用更高級別的抗震設(shè)防水準靈活應(yīng)對不同類型的地震，做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

1 橋梁不同部位震害分析

1.1 上部結(jié)構(gòu)震害

橋梁的上部結(jié)構(gòu)主要包括橋面結(jié)構(gòu)、承載結(jié)構(gòu)以及支座。在發(fā)生地震災(zāi)害時，如果橋梁結(jié)構(gòu)遭遇的地震動超過了設(shè)防地震動，就會產(chǎn)生橋梁破壞。橋梁上部結(jié)構(gòu)自身發(fā)生震撼的情況較少，主要表現(xiàn)形式為局部的屈曲破壞、連接部位損壞等，更多地表現(xiàn)為移位震害。大部分橋梁的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)是柔性連接的，在強震的作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)會發(fā)生縱向和橫向位移，如果位移較小，在震后恢復(fù)原位即可；如果位移較大，超過了有效支撐寬度，就會產(chǎn)生落梁問題，而且會造成二次傷害，如落梁時撞到橋墩破壞下部結(jié)構(gòu)，這樣不但會影響災(zāi)后救援工作，而且震后修復(fù)的難度比較大，所以要盡可能避免落梁震害的發(fā)生。除了移位震害之外，碰撞震害也比較常見，包括相鄰跨梁體碰撞、梁體與橋臺碰撞、橋梁間碰撞等。如果碰撞比較嚴重，可能發(fā)生倒塌危險。支座震害也不容小覷。在地震作用下，上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力會通過支座傳遞到下部結(jié)構(gòu)，如果作用力過大，就會造成支座損傷，但是能夠起到一定程度的保護作用。支座震害的主要形式有脫落、移位、自身構(gòu)造破壞、錨固螺栓破壞等[1]。

1.2 下部結(jié)構(gòu)震害

橋梁下部結(jié)構(gòu)主要指橋墩、橋臺及基礎(chǔ)部分。如果橋梁墩臺發(fā)生嚴重破壞，便會引起橋梁倒塌，在短時間內(nèi)很難修復(fù)，會造成巨大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失。在強烈的地震作用力下，鋼筋混凝土橋墩的破壞形式主要有彎曲破壞和剪切破壞。彎曲破壞是一種延性破壞形式，結(jié)構(gòu)一般具有良好的變形能力。彎曲強度低于剪切強度，主要由結(jié)構(gòu)抗彎性能控制，其破壞過程通常包括4 個階段，依次是：水平彎曲裂縫—結(jié)構(gòu)受拉側(cè)縱筋屈服—保護層脫落，塑性鉸范圍擴大—縱筋屈服甚至被拉斷，內(nèi)部混凝土被壓碎。經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，約束箍筋配置不足、縱向鋼筋連接不牢固等問題都會導(dǎo)致延性變形能力差，從而出現(xiàn)彎曲破壞。剪切破壞是一種脆性破壞形式，結(jié)構(gòu)的剪切強度低于彎曲強度，主要由剪切性能控制，其破壞過程也可以分為4個階段，依次是：水平彎曲裂縫出現(xiàn)—斜向剪切裂縫出現(xiàn)—箍筋屈服并引起剪切裂縫增長—發(fā)生脆性剪切破壞。產(chǎn)生剪切破壞的主要原因有箍筋配置不足和縱向鋼筋過早切斷，相對而言，剪切破壞更容易產(chǎn)生嚴重后果，不易耗散地震能量，而且發(fā)生很突然，震后很難修復(fù)，所以要盡可能增強結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免發(fā)生脆性破壞。

框架墩是常用的橋墩形式之一，根據(jù)歷史經(jīng)驗，框架墩震害主要有蓋梁破壞、墩柱破壞、節(jié)點破壞。鋼筋錨固長度不足、蓋梁負彎矩鋼筋過早截斷是發(fā)生蓋梁破壞的主因，墩柱破壞與普通墩柱破壞相似，節(jié)點破壞主要指剪切破壞。橋臺震害也比較常見，包括橋臺傾斜、臺身與梁體碰撞破壞、橋臺椎體護坡破壞。橋梁基礎(chǔ)震害主要表現(xiàn)為地基失效，尤其是在軟弱土層，相對于無樁結(jié)構(gòu)，采用樁結(jié)構(gòu)會提升軟土地區(qū)橋梁的抗震能力，但仍然會出現(xiàn)樁基彎曲、剪切等破壞。

2 橋梁抗震設(shè)計要點研究

2.1 防落梁設(shè)計

在防落梁設(shè)計時，應(yīng)該根據(jù)落梁產(chǎn)生的原因進行針對性處理。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合設(shè)防地震動大小、墩身高度、結(jié)構(gòu)跨度等綜合因素，設(shè)置足夠的墩臺支撐面寬度，能夠?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)位移限制在防落梁長度內(nèi)。同時，要安裝合理的縱橫向約束裝置，一定程度上能夠限制梁體移位?；炷翐鯄K是目前應(yīng)用較廣的約束裝置，通常設(shè)置在橫橋內(nèi)，能夠滿足變形需求。大多數(shù)橋梁都會在墩臺頂設(shè)置支座墊石，如果梁體脫落，那么墜落高度等于墊石高與支座高之和，增加了主梁折斷的風(fēng)險，而且會造成巨大的沖擊力，所以在設(shè)計支座墊石時，應(yīng)該使其在順橋向與墩臺邊緣保持齊平，從而降低梁體墜落高度，提升災(zāi)后橋梁的通行能力。當(dāng)橋梁相鄰墩高差較大時，橋梁整體質(zhì)量和剛度分布不均，相鄰跨的動力特性相差較大，在地震作用下會產(chǎn)生非同向震動，應(yīng)該盡可能使橋梁相鄰跨動力特性相近，控制相鄰橋墩側(cè)向剛度比，使剛度變化平緩，有效降低碰撞和落梁震害的發(fā)生[2]。

2.2 防碰撞設(shè)計

橋梁發(fā)生碰撞震害后，可能造成梁體、背墻的破壞，增加落梁的風(fēng)險。為了避免碰撞震害的發(fā)生，可以通過加大設(shè)計間距的方式。當(dāng)然，在復(fù)雜的作用力下，增大間距也未免會產(chǎn)生作用，有些部位的碰撞是難免的，如梁體和橋臺，可以通過設(shè)置緩沖裝置來避免或緩解撞擊。

2.3 防支座破壞設(shè)計

在橋梁結(jié)構(gòu)體系中，支座是抗震性能相對薄弱的部位，如果自身強度不夠或者與上下部連接強度不夠，那么很容易產(chǎn)生各種破壞，而支座破壞會使橋梁結(jié)構(gòu)傳力途徑失效，影響整體結(jié)構(gòu)抗震性能，所以要充分重視支座的抗震設(shè)計。許多公路橋梁都設(shè)計了板式橡膠支座，直接放置在支座墊石上，然后主梁再落到支座上，三者之間缺乏有效連接，水平抗力主要依靠摩擦力。在汶川大地震后當(dāng)?shù)氐臉蛄褐ё撀洹⒁莆粏栴}就比較突出，需要采取必要的錨固連接措施，保證連接強度，避免支座被過早破壞，同時盡可能使用構(gòu)造簡單、性能可靠的支座，也可以采用減隔震支座，使支座不再是抗震體系中的薄弱環(huán)節(jié)[3]。

2.4 防墩臺震害設(shè)計

發(fā)生地震災(zāi)害時，橋梁墩柱將上部結(jié)構(gòu)和自身所受到的地震力傳遞到墩柱中心，如果墩柱設(shè)計不合理，就很容易使墩柱破壞嚴重。根據(jù)以往經(jīng)驗，許多橋梁墩柱震害都是由于鋼筋構(gòu)造不合理導(dǎo)致的，如箍筋設(shè)置不合理、縱向主筋連接不牢、鋼筋錨固長度不夠等。在等截面橋墩中，基部截面的受力情況最復(fù)雜，彎矩和軸力最大，所以橋墩強度主要受基部截面控制。因此，在橋墩基部配置密集箍筋，有利于提高橋梁橋墩抗震能力。同樣，如果橋墩強度是由其他截面控制，那么也應(yīng)該在相關(guān)控制截面設(shè)計箍筋加密。在墩臺抗震設(shè)計時，應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)受力大小適當(dāng)調(diào)整縱筋布置，即受力大的區(qū)域多布置、受力小的區(qū)域少布置，避免縱向鋼筋過早截斷，改變結(jié)構(gòu)控制截面。在荷載作用下，截斷截面會率先產(chǎn)生破壞，因此要通過科學(xué)計算合理設(shè)計縱向鋼筋截斷位置。為了防止橋墩產(chǎn)生嚴重破壞，首先要采用合理的結(jié)構(gòu)，選擇合適的塑性鉸區(qū)。其次，要提高非塑性鉸區(qū)強度，這樣能夠在強震作用下將塑性變形限定在塑性鉸區(qū)，加強塑性鉸區(qū)細節(jié)構(gòu)造設(shè)計，保證其具有足夠的延性變形能力，同時要加強橋墩的合理化設(shè)計，提高抗剪能力，使抗剪強度大于彎曲強度，避免發(fā)生剪切破壞。由于結(jié)構(gòu)形式不同，框架墩的抗震設(shè)計與普通墩存在差異。如框架墩橫系梁的設(shè)計不但能夠提高橋墩剛度和穩(wěn)定性，而且可以合理分配地震力。通常情況下，橫系梁的強度要略小于墩柱。在強震作用下，塑性鉸要出現(xiàn)在橫系梁上，這樣可以進一步耗散地震能量，通過一定程度的自身損傷，可以保護主要構(gòu)件?？蚣芏諏儆诔o定結(jié)構(gòu)，受力相對復(fù)雜，在抗震設(shè)計時需要進行細致分析，可以通過合理的節(jié)點配筋避免節(jié)點剪切破壞。橋臺后填土壓力變化是橋臺震害的主要原因，應(yīng)該不斷優(yōu)化設(shè)計方案，盡可能避免梁體與橋臺的碰撞，并且加強臺身構(gòu)造設(shè)計，提高臺后填土質(zhì)量，這樣可以有效防止發(fā)生橋臺震害。

2.5 防基礎(chǔ)震害設(shè)計

地震的發(fā)生具有一定的復(fù)雜性和隨機性，目前尚不能準確預(yù)測發(fā)生地震的位置，但是必須科學(xué)進行工程選址，保證地基及一定區(qū)域的地層具有一定的強度、剛度、穩(wěn)定性、抗?jié)B性。加強對各種地質(zhì)缺陷的分析，考慮建設(shè)地區(qū)的地震烈度，盡可能避免在高烈度地區(qū)建設(shè)，盡量避開斷層裂谷邊坡，加強地基加固處理設(shè)計，通過換填、夯實、預(yù)壓、振沖、注漿等多種方式，減少震陷危害的發(fā)生。樁基礎(chǔ)的震害具有較強的隱蔽性，在震后難以準確評估而且不易修復(fù)。根據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，軟土地基中的樁基礎(chǔ)震害主要是由于構(gòu)造不當(dāng)或強度不足導(dǎo)致的，所以在樁基礎(chǔ)設(shè)計時，必須保證設(shè)計強度能夠滿足工程需求，樁與承臺連接可靠，深入穩(wěn)定土層的長度必須足夠，能夠得到有效的支撐。

3 橋梁減隔震技術(shù)應(yīng)用

3.1 減隔震技術(shù)概念內(nèi)涵

抗震設(shè)計主要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和細節(jié)構(gòu)造措施保證橋梁整體安全，允許地震能量傳遞到結(jié)構(gòu)中，難以避免會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷，而且后續(xù)的修復(fù)費用較高，所以必須積極尋求更為有效的抗震手段。減隔震技術(shù)是減震技術(shù)和隔震技術(shù)的總稱，屬于被動控制技術(shù)中的一種，發(fā)展相對成熟，應(yīng)用較為廣泛。減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)中安裝具有特殊性能的特制裝置，當(dāng)發(fā)生強震時，該裝置能夠率先進入塑性，產(chǎn)生較大的阻尼，從而有效消耗地震能量。隔震技術(shù)是通過安裝隔震裝置將結(jié)構(gòu)與地面運動隔離開，這樣能夠減少地震能量進入結(jié)構(gòu)中。通常情況下，會將兩種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，在合適的位置安裝減隔震裝置，能夠合理控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，通過阻尼耗能和隔震雙重作用，達到減隔震目的，提升整體抗震性能。隨著抗震規(guī)范的不斷更新，橋梁抗震已經(jīng)由單一設(shè)防水準發(fā)展為兩級設(shè)防水準，減隔震技術(shù)的應(yīng)用也將越來越廣泛[4]。

3.2 減隔震技術(shù)應(yīng)用原則

3.2.1 應(yīng)用條件

減隔震技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了理論和實踐的考驗，能夠有效減小震害損失，但并不是任何情況下都可以應(yīng)用，所以首先要全面了解橋梁工程的具體情況，然后通過分析計算判斷是否適用減隔震技術(shù)，最后進行減隔震設(shè)計，充分重視連接和防護構(gòu)件設(shè)計，保證減隔震裝置能夠有效發(fā)揮作用。通常情況下，基本周期短、橋墩矮的橋梁可以采用減隔震技術(shù)，有利于延長結(jié)構(gòu)周期、減小地震響應(yīng)。建設(shè)場地條件好，以堅硬土或巖石為主的也可以采用減隔震技術(shù)，有利于避開能量多的高頻地震動。對于橋墩高度差大、剛度不均勻的情況，采用減隔震技術(shù)能夠調(diào)節(jié)各橋墩剛度，使地震力均勻分布于各橋墩。相反，橋梁基本周期長、場地處于軟弱土層、橋梁支座出現(xiàn)較大負反力、結(jié)構(gòu)位移限值較小等情況就不適合采用該技術(shù)，會產(chǎn)生一定的負面影響。

3.2.2 設(shè)計要求

隔絕地震動和提高結(jié)構(gòu)耗能能力是減隔震設(shè)計的重點，不能盲目追求延長結(jié)構(gòu)周期，應(yīng)該選擇構(gòu)造簡單、滿足要求、性能可靠的減隔震裝置，不能影響正常使用。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)緩慢變形時，裝置應(yīng)該產(chǎn)生比較小的抗力，減隔震裝置應(yīng)該具有較強的自復(fù)位能力，能夠在地震后基本恢復(fù)原位。在高烈度地區(qū)，減隔震設(shè)計應(yīng)該結(jié)合增加結(jié)構(gòu)阻尼和延長結(jié)構(gòu)周期進行。當(dāng)相鄰橋墩場地條件差距較大或者剛度差距較大時，減隔震裝置設(shè)計抗力需要與橋墩所受地震作用相匹配。減隔震裝置應(yīng)該具有較大的初始水平剛度，保證在外力作用下不會產(chǎn)生有害震動和太大變形，在地震作用下能夠保持良好的豎向支撐能力。通常情況下，減隔震裝置會設(shè)置在橋墩頂部，可以用減隔震支座替代普通支座，這種方式操作簡單而且經(jīng)濟實用?？茖W(xué)的減隔震設(shè)計不但能夠降低地震作用，而且可以合理分配地震力，通過調(diào)節(jié)裝置剛度，能夠適度調(diào)整橋墩承擔(dān)的地震作用力，防止剛度大的橋墩承擔(dān)太大作用力，同時減小基礎(chǔ)條件差的橋墩承擔(dān)作用力。另外，充分重視橫橋向減隔震設(shè)計，使橋墩間橫向剛度更加協(xié)調(diào)，能夠減小橫向位移差導(dǎo)致的梁體扭轉(zhuǎn)，從而降低結(jié)構(gòu)的橫向響應(yīng)。

3.3 常用裝置

良好的減隔震設(shè)計應(yīng)該充分考慮多種因素，采用合適的減隔震裝置，并且注重細節(jié)設(shè)計，保證減隔震橋梁抗震性能和動力特性良好。常用的減隔震裝置分為隔震耗能裝置、隔震裝置、阻尼器或耗能裝置。其中，隔震耗能裝置主要有高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座，同時具備耗能和隔震兩種能力。隔震裝置主要有滑動支座和橡膠支座，而阻尼器或耗能裝置可以分為位移型、速度型及其他型，能夠增大結(jié)構(gòu)阻尼、耗散輸入結(jié)構(gòu)的能量。當(dāng)然，每種減震隔震裝置都有一定的優(yōu)缺點和適用范圍，需要根據(jù)實際情況合理設(shè)計選用[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，地震災(zāi)害會造成大規(guī)模的人員傷亡和經(jīng)濟損失，破壞各種工程設(shè)施，所以建立安全、可靠、經(jīng)濟的抗震設(shè)計體系一直是重難點問題。隨著橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的不斷升級，需要不斷調(diào)整抗震設(shè)計理念，明確抗震設(shè)計目標和要點，并積極利用先進的減隔震技術(shù)，提高橋梁整體的抗震性能，減少結(jié)構(gòu)破壞和功能損失。