橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法

李博

為解決橋梁建設(shè)中的抗震設(shè)計(jì)與抗風(fēng)設(shè)計(jì)問題，本文結(jié)合橋梁工程實(shí)際情況，在簡述橋梁震害形式的基礎(chǔ)上，對其抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)理念與方法，以期為相關(guān)人員提供參考。

一、工程概況

X005分離式立交、K221+607.974互通主線、GK0+815.888匝道橋、K222+864.5分離式立交、K224+774.554分離式立交樁基根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況選擇旋挖鉆機(jī)成孔，采用導(dǎo)管法灌注混凝土。地系梁采用挖掘機(jī)進(jìn)行基坑開挖，大塊鋼模進(jìn)行澆筑。橋梁墩柱、臺(tái)帽采用大塊組合鋼模板，圓柱墩采用定制模型進(jìn)行澆筑。X005分離式立交30片25m預(yù)制箱梁、立交橋30片25m預(yù)制箱梁均在一號(hào)梁場集中預(yù)制，K221+607.974互通主線250片25m、30m預(yù)制箱梁、GK0+815.888匝道橋76片25m、30m預(yù)制箱梁、K222+864.5分離式立交30片40m預(yù)制箱梁、K224+774.554分離式立交80片29m預(yù)制箱梁均在二號(hào)梁場集中預(yù)制。預(yù)制采用定型鋼模，在臺(tái)座上預(yù)制成型；箱梁混凝土一次澆注完成，混凝土澆注成型。箱梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后，且混凝土齡期不小于7d時(shí)，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；施加預(yù)應(yīng)力采用張拉力和伸長量雙控。箱梁架設(shè)采用龍門吊調(diào)運(yùn)，運(yùn)梁平車運(yùn)輸和履帶吊+汽車吊架設(shè)。

K206+423、K214+794.8、K215+465、K220+351.2、CK0+411.6、FK0+615.462、GK0+229.229、K220+351.2、K222+195.5（1-13）橋式通道樁基根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況選擇旋挖鉆機(jī)成孔，采用導(dǎo)管法灌注混凝土。承臺(tái)、地系梁采用挖掘機(jī)進(jìn)行基坑開挖，大塊鋼模進(jìn)行澆筑。橋梁墩柱、臺(tái)帽采用大塊組合鋼模板，圓柱墩采用定制模型，墩身分兩次澆筑，第一次澆筑至中系梁，第二次澆筑至墩頂。蓋梁底模支架采用托架法，托架的承托采用鋼箍，外模采用大塊鋼模，采用吊車作為吊裝設(shè)備。鋼筋均在鋼筋集中加工場加工成型后，運(yùn)至施工現(xiàn)場安裝。K206+423通道橋27片13m預(yù)制T梁、K214+794.8通道橋22片13m預(yù)制T梁、K215+465通道橋22片13m預(yù)制T梁均在一號(hào)梁場集中預(yù)制，K220+351.2通道橋22片13m預(yù)制T梁、CK0+411.6通道橋9片13m預(yù)制T梁、FK0+615.462通道橋10片13m預(yù)制T梁、GK0+229.229通道橋8片13m預(yù)制T梁、K220+351.2通道橋22片13m預(yù)制T梁、K222+195.5通道橋31片13m預(yù)制T梁均在二號(hào)梁場集中預(yù)制。T梁預(yù)制采用定型鋼模，在臺(tái)座上預(yù)制成型；T梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后，且混凝土齡期不小于7d時(shí)，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；施加預(yù)應(yīng)力采用張拉力和伸長量雙控。T梁架設(shè)采用龍門吊調(diào)運(yùn)，運(yùn)梁平車運(yùn)輸和履帶吊+汽車吊架設(shè)。

二、橋梁震害形式

根據(jù)橋梁歷史震害情況，除斷層和液化等由于地基失效造成的破壞外，對混凝土橋梁而言，還包括以下幾種常見破壞形式：

（1）彎曲破壞

橋梁結(jié)構(gòu)受水平方向地震荷載持續(xù)作用后因產(chǎn)生明顯變形使混凝土保護(hù)層發(fā)生脫落，或鋼筋壓屈，或內(nèi)部混凝土發(fā)生崩裂或被壓碎，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失應(yīng)有的承載力。該過程包含下列四個(gè)階段：

第一階段為在彎矩水平達(dá)到開裂強(qiáng)度后，在截面產(chǎn)生沿水平方向分布的彎曲裂縫；

第二階段為伴隨裂縫不斷發(fā)展與荷載強(qiáng)度不斷提高，布置在受拉側(cè)的縱向鋼筋受到的強(qiáng)度達(dá)到屈服強(qiáng)度；

第三階段為伴隨變形量不斷增大，保護(hù)層發(fā)生脫落，且塑性鉸范圍也明顯增大；

第四階段為鋼筋壓屈或被直接拉斷，導(dǎo)致內(nèi)部混凝土發(fā)生崩裂或被壓碎。

（2）剪切破壞

受水平方向地震荷載持續(xù)作用后，結(jié)構(gòu)所受剪切力在達(dá)到截面剪切強(qiáng)度后就會(huì)出現(xiàn)剪切破壞，該破壞過程包含下列四個(gè)階段：

第一階段為截面彎矩強(qiáng)度達(dá)到開裂或，在截面上會(huì)出現(xiàn)沿水平方向分布的彎曲裂縫；

第二階段為伴隨裂縫不斷發(fā)展以及荷載強(qiáng)度不斷提高，將在柱內(nèi)產(chǎn)生沿斜向分布的剪切裂縫；

第三階段為局部產(chǎn)生的剪切裂縫不斷增大，由于箍筋屈服使剪切裂縫顯著增大；

第四階段為出現(xiàn)脆性剪切破壞。

（3）落梁破壞

如果梁體沿水平方向發(fā)生的位移超出梁端有效支撐長度，就有可能發(fā)生這種破壞。該破壞的產(chǎn)生原因?yàn)榱汉蜆蚨罩g產(chǎn)生了很大相對位移，導(dǎo)致支座失去應(yīng)有的約束能力。

（4）支座損傷

上部結(jié)構(gòu)受到的地震慣性力會(huì)在支座作用下不斷傳遞至下部結(jié)構(gòu)，如果傳遞的荷載超出支座自身設(shè)計(jì)強(qiáng)度，則會(huì)使支座產(chǎn)生損傷與破壞。如果支座損傷，將造成落梁破壞。對橋梁的下部結(jié)構(gòu)，一旦支座發(fā)生損傷能防止上部結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下發(fā)生破壞。

三、橋梁抗震設(shè)計(jì)理念與方法

通過科學(xué)的抗震設(shè)計(jì)，能將橋梁震害降至最低，這就要求通過設(shè)計(jì)使橋梁結(jié)構(gòu)的延性、強(qiáng)度與剛度等技術(shù)指標(biāo)達(dá)到最佳組合，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)體系達(dá)到經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的抗震目標(biāo)。要想真正實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要設(shè)計(jì)人員充分了解地震對橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響，同時(shí)還要具備一定創(chuàng)造力與相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，而并非完全按照規(guī)范要求執(zhí)行。橋梁抗震設(shè)計(jì)理念與方法主要包含以下內(nèi)容：

（1）場地選擇

除了要通過對地震危險(xiǎn)性進(jìn)行的分析選擇安全度較高的廠址，還要充分考慮地區(qū)范圍內(nèi)場地選擇。對此應(yīng)遵循以下各項(xiàng)基本原則：不選擇地震發(fā)生后產(chǎn)生失效的場地，優(yōu)先選擇堅(jiān)硬的場地。在地基達(dá)到穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，還應(yīng)充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)和地基之間的振動(dòng)特性，盡可能減少共振可能造成的影響。對于軟弱地基，在設(shè)計(jì)過程中要注意保證基礎(chǔ)整體性，避免地震造成不均勻變形現(xiàn)象發(fā)生。

（2）結(jié)構(gòu)體系整體性與規(guī)則性

橋梁有良好的整體性，其上部結(jié)構(gòu)必然保持連續(xù)。良好的整體性能有效防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件因受到地震作用而產(chǎn)生掉落，并且這也是使結(jié)構(gòu)最大限度發(fā)揮出應(yīng)有空間作用的前提條件。不論在平面或在立面，結(jié)構(gòu)布置都應(yīng)使幾何尺寸、質(zhì)量與剛度達(dá)到均勻、對稱和規(guī)整，防止突然變化。

（3）能力設(shè)計(jì)原則

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想提出，良好的設(shè)計(jì)應(yīng)能使結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件有相近的安全度，也就是結(jié)構(gòu)中不能有薄弱環(huán)節(jié)存在。然而，因結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件有不同的重要程度，這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想不完全適用，特別是對抗震結(jié)構(gòu)而言。而能力設(shè)計(jì)思想注重的是強(qiáng)度安全度存在的差異，也就是在不同構(gòu)件與破壞模式之間找出強(qiáng)度安全度及其存在的差異。根據(jù)這種差異，保證結(jié)構(gòu)在受到大地震作用后能以延性的方式作出反應(yīng)，避免脆性破壞。在我國過去的抗震設(shè)計(jì)過程中，大多采用以下幾種設(shè)計(jì)思想：強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎和強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件，該思想實(shí)際上就是能力設(shè)計(jì)原則主要體現(xiàn)。

（4）多道抗震防線

通過抗震設(shè)計(jì)應(yīng)能使橋梁整體成為一個(gè)可提供多道抗震側(cè)力的結(jié)構(gòu)體系，在受到強(qiáng)地震作用后，如果一道防線被突破，應(yīng)能有第二道防線繼續(xù)支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)，防止結(jié)構(gòu)倒塌?；诖耍o定結(jié)構(gòu)必然優(yōu)于類型一致的靜定結(jié)構(gòu)。而對建筑結(jié)構(gòu)而言，橋梁在此方面可充分利用的空間一般并不大。

（5）抗震概念設(shè)計(jì)

對于橋梁抗震設(shè)計(jì)，主要包含以下兩方面范疇，即概念設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)計(jì)。其中，概念設(shè)計(jì)指的是從概念角度入手確定抗震決策；而參數(shù)設(shè)計(jì)指的是通過計(jì)算和驗(yàn)算等給出具體的抗震決策。長時(shí)間以來，設(shè)計(jì)人員開始認(rèn)識(shí)到盡管計(jì)算得如此精確，只要結(jié)構(gòu)方案不合適，或構(gòu)造措施不合理，仍然無法達(dá)到預(yù)期的抗震水平和能力，這使得相關(guān)領(lǐng)域的人員開始認(rèn)識(shí)到概念設(shè)計(jì)的重要意義。但需要注意，概念設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)計(jì)往往相輔相成，要想保證最終的抗震設(shè)計(jì)效果，必須對概念設(shè)計(jì)引起足夠的重視，對抗震設(shè)計(jì)思想進(jìn)行靈活運(yùn)營，不可盲目計(jì)算。

（6）提高結(jié)構(gòu)延性

地震發(fā)生時(shí)造成的剪切破壞是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生致命破壞的主要原因，該破壞形式較為多見，是典型的脆性破壞。基于此，對結(jié)構(gòu)延性進(jìn)行改善是提高橋梁結(jié)構(gòu)自身抗震性能的關(guān)鍵所在，必須引起設(shè)計(jì)人員的高度重視。為有效提高橋梁中抵抗慣性力影響的能力，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后造成倒塌，對橋梁的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，可采取下列措施來改善結(jié)構(gòu)延性：提高套箍效應(yīng)、防止脆性剪切破壞發(fā)生和對損失截面進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（7）減隔震措施應(yīng)用

減隔震是指充分利用結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)周期特性與阻尼特性來有效減輕地震荷載，也就是通過提高阻尼與長周期化來吸收地震給結(jié)構(gòu)施加的能量，進(jìn)而降低地震荷載強(qiáng)度。就目前來看，已經(jīng)出現(xiàn)很多減隔震措施，較為常用的有高阻尼疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、滑動(dòng)支座與各類阻尼裝置等，同時(shí)都已經(jīng)在抗震設(shè)計(jì)過程中得到廣泛應(yīng)用。尤其是前兩者，在很多國家的抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了廣泛普及。

四、橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念與方法

橋梁設(shè)計(jì)根本目的在于保證結(jié)構(gòu)體系的安全性與可靠性，使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度符合要求，橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)自然也不例外，在設(shè)計(jì)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)過程中，需要注重以下幾方面理念和方法。

（1）在橋梁設(shè)計(jì)確定的使用年限之內(nèi)，在橋梁所在位置可能產(chǎn)生的最大風(fēng)速條件下，橋梁主體結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生可造成損毀的自激發(fā)散振動(dòng)。

（2）在橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和其它類型作用的影響下，結(jié)構(gòu)必須具備足夠的抵抗強(qiáng)度與剛度，同時(shí)不能產(chǎn)生靜力失穩(wěn)的現(xiàn)象。

（3）對于結(jié)構(gòu)自身的非破壞性風(fēng)致振動(dòng)，其振幅不能超過保證行車安全的極限值，同時(shí)還應(yīng)盡量減小結(jié)構(gòu)疲勞與對行車舒適性造成的影響。

（4）結(jié)構(gòu)自身抗風(fēng)能力可在設(shè)計(jì)過程中采取以下措施來提高：機(jī)械、氣動(dòng)或結(jié)構(gòu)措施。

在自然風(fēng)作用下會(huì)產(chǎn)生風(fēng)致振動(dòng)，對此在實(shí)際的抗風(fēng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)確保導(dǎo)致會(huì)造成危險(xiǎn)的馳振或顫振發(fā)生的臨界風(fēng)速和橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)速比較有充足安全度，只有這樣才能保證結(jié)構(gòu)在不同階段都表現(xiàn)出應(yīng)有的抗風(fēng)穩(wěn)定性。此外，還應(yīng)將渦激共振與抖振均控制在允許范圍之內(nèi)，防止結(jié)構(gòu)疲勞或人感不適。

如果橋梁制定的最初方案無法滿足抗風(fēng)方面的要求，需要通過對設(shè)計(jì)的適當(dāng)修改或引入一系列控制措施來提高結(jié)構(gòu)體系自身抗風(fēng)穩(wěn)定性，同時(shí)降低由于風(fēng)致振動(dòng)產(chǎn)生的振幅。

在橋梁設(shè)計(jì)工作不同階段，可結(jié)合實(shí)際情況針對不同精度要求進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)，或通過風(fēng)洞試驗(yàn)來確定抗風(fēng)設(shè)計(jì)方案。對普通大橋而言，在初步設(shè)計(jì)過程中，抗風(fēng)分析可按照近似公式進(jìn)行計(jì)算來確定不同方案對應(yīng)的靜風(fēng)載內(nèi)力與氣動(dòng)穩(wěn)定性，在確定了初步方案以后，采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法確定各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，完成抗風(fēng)驗(yàn)算及風(fēng)振分析。而對重要程度較高的橋梁而言，需要在初步設(shè)計(jì)過程中采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法完成氣動(dòng)選型，以此為主梁斷面形式的選擇提供可靠依據(jù)。在橋梁的技術(shù)設(shè)計(jì)過程中，要對所選斷面形式做詳細(xì)深入的驗(yàn)算及分析，同時(shí)還要采用模型試驗(yàn)方法來確認(rèn)最終分析結(jié)果。

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際的抗風(fēng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)掌握下列幾項(xiàng)因素，從而更好的分析并把握設(shè)計(jì)全局：（1）風(fēng)特性參數(shù)：采用調(diào)查并廣泛收集當(dāng)?shù)貧庀筚Y料掌握，根據(jù)收集到的信息確定合理的技術(shù)參數(shù)，以供抗風(fēng)設(shè)計(jì)工作使用；（2）橋梁動(dòng)力特性，這是做好風(fēng)振分析的重要基礎(chǔ)，需建立適宜的力學(xué)模型，同時(shí)注意處理邊界支撐條件；（3）顫振臨界風(fēng)速，即橋梁產(chǎn)生發(fā)散性顫振現(xiàn)象的起始風(fēng)速；（4）抖振響應(yīng)，抖振使受到紊流風(fēng)持續(xù)作用后產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)，屬于強(qiáng)迫振動(dòng)范疇。

五、結(jié)語

綜上所述，抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)都是橋梁設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容，對保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和可靠都有重要意義，以上對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震和抗風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步分析與總結(jié)，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)理念與方法，旨在為實(shí)際的橋梁設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考，保證抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)效果。