橋梁抗震概念設(shè)計
2010-09-06
1.橋梁的震害原因
橋梁的抗震設(shè)防原則國內(nèi)外學(xué)者對橋梁震害的調(diào)查研究結(jié)果表明，現(xiàn)在橋梁的破壞大多沿順橋向和橫橋向發(fā)生，而順橋向震害尤其嚴(yán)重，分析其破壞原因主要表現(xiàn)在以下幾個方面，即：
(1)地震位移造成的梁式橋梁上部活動節(jié)點處因蓋梁寬度設(shè)置不足導(dǎo)致落梁或梁體相互磁撞引起的破壞，而對拱式結(jié)構(gòu)則主要表現(xiàn)在拱上建筑和腹拱的破壞，拱圈在拱頂、拱腳產(chǎn)生的破損裂縫，甚至整個隆起變形。
(2)由于地基土（如飽和粉細(xì)紗和飽和粘沙土）的地震液化影響，同樣加大了地震位移的影響，進(jìn)而放大了結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)，使落梁的可能性增大。當(dāng)采用排架樁基礎(chǔ)時，則使樁基的承載力降低，從而造成與地震反應(yīng)無關(guān)的過大的豎向和橫向位移，而簡支梁橋?qū)Υ擞葹槊黠@。另外，由于地基軟弱，地震時當(dāng)部分地基液化失效后引起了結(jié)構(gòu)物的整體傾斜，下沉等嚴(yán)重變形，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的破壞，震害較重。
(3)支座破壞，在地震力的作用下，由于支座設(shè)計沒有充分考慮抗震要求，構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足，或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素，導(dǎo)致了支座發(fā)生過大的位移和變形，從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞等，并由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力的傳遞形式的變化，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)的其他部位產(chǎn)生不利的影響。
(4)軟弱的下部結(jié)構(gòu)破壞，即由于橋梁下部結(jié)構(gòu)不足以抵抗其自身的慣性力和支座傳遞的主梁的地震力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下部的開裂、變形和失效，甚至傾覆，并由此引起全橋的嚴(yán)重破壞。
(5)在松軟地基上的橋梁，特別是特大橋、大中橋，地震時往往發(fā)生河岸滑移，使橋臺向河心移動，導(dǎo)致全橋長度的縮短，這類震害是比較嚴(yán)重的。
(6)另外橋梁結(jié)構(gòu)的震害還表現(xiàn)在如結(jié)構(gòu)構(gòu)造及連接不當(dāng)造成的破壞、橋臺臺后填土位移過大造成橋臺沉降或斜度過大造成橋墩臺承受過大的扭矩而引起的破壞等多種原因。
2.橋梁的抗震設(shè)防原則
早在20世紀(jì)70年代，多級抗震設(shè)防的思想首先在核電站抗震設(shè)計中被提出。多級設(shè)防的合理性眾所周知，從近幾年各國橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的發(fā)展來看，采用多級設(shè)防原則的國家不斷增多，我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GBJ11—89）也早已采用2階段設(shè)計實現(xiàn)3級抗震設(shè)防的目標(biāo)要求。根據(jù)3級抗震設(shè)防原則，定義以下的3級地震水平：
地震水平Ⅰ：定義為橋梁在正常使用壽命期間發(fā)生的大概率的地震作用。這個地震水平一般相當(dāng)于50年內(nèi)超越概率60%左右，即約為55年一遇的地震，稱為多遇地震。
地震水平Ⅱ：定義為橋梁在正常使用壽命期間發(fā)生的中等概率的地震作用。這個地震水平一般相當(dāng)于50年內(nèi)超越概率10%左右，即約為475年一遇的地震。
地震水平Ⅲ：定義為橋梁在正常使用壽命期間發(fā)生的小概率地震作用。這個地震水平一般相當(dāng)于50年內(nèi)超越概率2% 左右，即約為2475年一遇的地震，稱為罕遇地震。
上述這個原則實際上也規(guī)定了結(jié)構(gòu)在3級地震水平下相應(yīng)的反應(yīng)：在多遁地震作用下，結(jié)構(gòu)總體處于彈性反應(yīng)范圍，結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有損壞；在設(shè)防烈度的地震作用下，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)一定的塑性變形，但最大變形值應(yīng)限定在遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)的容許變形以內(nèi)；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷較大的彈塑性變形循環(huán)，最大變形可能達(dá)到結(jié)構(gòu)的容許變形值，但始終不超過容許變形值。
3 .橋梁抗震概念設(shè)計
由于地震是一種隨機(jī)發(fā)生的自然現(xiàn)象．所以對橋梁結(jié)構(gòu)造成的損害也是隨機(jī)的。地震的發(fā)生時間、空間以及強度上都還不能準(zhǔn)確的預(yù)測，因此橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計若單純按結(jié)構(gòu)的強度設(shè)防，如增大上下部結(jié)構(gòu)的斷面尺寸、加強各部分的聯(lián)系、甚至改變結(jié)構(gòu)的受力體系等可能是不經(jīng)濟(jì)，也是不科學(xué)的，有時甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)面的效應(yīng)。因而人們對抗震概念設(shè)計重要性的理解也愈來愈深刻：對橋梁的抗震設(shè)計決不能被動地作地震時結(jié)構(gòu)強度及變位的驗算，而是要根據(jù)地震作用及震害的機(jī)理，從設(shè)計角度提高結(jié)構(gòu)本身的抗震能力，也就是要從總體上考慮抗震的工程決策，在充分分析和考慮結(jié)構(gòu)震害機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合抗震需要，針對橋梁不同的結(jié)構(gòu)形式、不同的地形地質(zhì)條件、不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和橋梁不同的功能等對結(jié)構(gòu)的強度、延性、結(jié)構(gòu)控制以及結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行抗震設(shè)計。根據(jù)上述的指導(dǎo)思想我們在橋梁結(jié)構(gòu)體系的選擇、橋型布置、路線走向以及橋梁結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計中可以采取以下措施以達(dá)到結(jié)構(gòu)防震、減少震害的效果。
(1)盡量采用連續(xù)的橋跨代替簡支梁跨，進(jìn)而減少伸縮縫的數(shù)量，降低在此落梁的可能性，同時也提高了橋上行車的舒適性。
(2)對常規(guī)的簡支橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)加強橋面的連續(xù)構(gòu)造，以及需提供足夠的加固寬度以防止主梁發(fā)生位移落梁，另外還應(yīng)適當(dāng)?shù)募訉挾张_頂蓋梁及支座的寬度，并增設(shè)防止位移的隔擋裝置。
(3)橋梁位置應(yīng)選在良好和穩(wěn)定的河段，如果必須在穩(wěn)定性差的軟弱場地止河段通過時，應(yīng)盡量采用橋梁中線與河流正交，這樣即使地震產(chǎn)生河岸滑移，影響也較小；若采用斜交，地震時極易產(chǎn)生河岸向河心滑移，會使橋梁隨之發(fā)生錯動或扭轉(zhuǎn)破壞。另外，應(yīng)注意在主河槽與河灘分界的地形突變處，應(yīng)盡量避免設(shè)墩，否則應(yīng)予以加強措施以減免滑移。
(4)對采用橡膠支座而無固定支座的橋跨，應(yīng)加設(shè)防移角鋼或設(shè)擋軌，作為支座的抗震設(shè)計。
(5)在地震區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)以采用跨度相等、每聯(lián)連續(xù)跨內(nèi)下部墩身剛度相等為宜。跨度不均，墩身剛度不等極易發(fā)生震害，這已經(jīng)為國內(nèi)外許多震害所證實。對各墩高度相差較大的情況可采用調(diào)整墩頂支座尺寸和樁頂設(shè)允許墩身位移的套筒來調(diào)整各墩的剛度，以便使之剛度盡量保持一致。
(6)對高烈度區(qū)的橋梁設(shè)計應(yīng)在縱向設(shè)置一定的消能裝置，如采用減、隔震支座（如聚四氟乙烯支座、迭層橡膠支座、鉛芯橡膠支座等）以及在梁體和墩臺的連接處增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼以便共同受力和減小水平橋梁荷載。
(7)由于拱橋?qū)χё轿灰剖置舾?，而兩邊橋臺的非同步激振會引起較大的偽靜力反應(yīng)．有時甚至?xí)笥趹T性力所引起的動力反應(yīng)，因此要求震區(qū)的拱橋墩臺基礎(chǔ)務(wù)必設(shè)置于整體巖盤或同一類型的場址以保證震時各支座的同步激振。
(8)橋梁的基礎(chǔ)應(yīng)盡可能的建在可靠的地基上，否則軟土的液化會加大地震反應(yīng)。
(9)地震區(qū)橋跨不宜太長，大跨度意味著墩柱承受的軸向力過大，從而降低墩柱的延性能力。
(10)墩柱設(shè)計中應(yīng)盡可能的使用螺旋形箍筋．以便為墩柱提供足夠的約束。另外墩身及基礎(chǔ)的縱向鋼盤伸入蓋梁和承臺應(yīng)有一定的錨固長度以增強連接點的延性，并且，橋墩基腳處應(yīng)有足夠的抵抗墩柱彎矩與剪切力的能力，不允許有塑性鉸接。
(11)對于較高的排架橋墩，墩間應(yīng)增設(shè)橫系梁以減少墩柱的橫向位移和設(shè)計彎矩。
(12)采用將橋墩某些部位（如墩腳）設(shè)計成具有足夠的延性，以使在強震作用下使該部位形成穩(wěn)定的延性塑性鉸，并產(chǎn)生彈塑性變形來延長結(jié)構(gòu)的振動周期，耗散地震力。
(13)采用上部結(jié)構(gòu)和橋墩完全連接的剛構(gòu)體系，并且樁尖穿過可液化層達(dá)到堅硬土層上，由于結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)增大和堅實的樁尖承載能力的保證，減少了由于土壤變形而失效的可能性。
4 .結(jié) 論
橋梁結(jié)構(gòu)有效的抗震措施還有許多，因此我們在橋梁設(shè)計過程中只要認(rèn)真分析和了解結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和特性，精心設(shè)計并采取一系列有效的抗震措施，我們不但可以很好地達(dá)到結(jié)構(gòu)的防震和抗震效果，同時對提高和完善橋梁結(jié)構(gòu)物的各項功能性、經(jīng)濟(jì)性和社會效應(yīng)性同樣是有益的。
參考文獻(xiàn)：
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