橋梁抗震概念設(shè)計(jì)
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(duì)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(gè)方面，即：
(1)地震位移造成的梁式橋梁上部活動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(duì)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(gè)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(dòng)反應(yīng)，使落梁的可能性增大。當(dāng)采用排架樁基礎(chǔ)時(shí)，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(shí)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(jì)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(dòng)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(duì)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(shí)往往發(fā)生河岸滑移，使橋臺(tái)向河心移動(dòng)，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(tái)臺(tái)后填土位移過大造成橋臺(tái)沉降或斜度過大造成橋墩臺(tái)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(jí)抗震設(shè)防的思想首先在核電站抗震設(shè)計(jì)中被提出。多級(jí)設(shè)防的合理性眾所周知，從近幾年各國橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的發(fā)展來看，采用多級(jí)設(shè)防原則的國家不斷增多，我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ11—89）也早已采用2階段設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3級(jí)抗震設(shè)防的目標(biāo)要求。根據(jù)3級(jí)抗震設(shè)防原則，定義以下的3級(jí)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)原則實(shí)際上也規(guī)定了結(jié)構(gòu)在3級(jí)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(jì)
由于地震是一種隨機(jī)發(fā)生的自然現(xiàn)象．所以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成的損害也是隨機(jī)的。地震的發(fā)生時(shí)間、空間以及強(qiáng)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(jì)若單純按結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)防，如增大上下部結(jié)構(gòu)的斷面尺寸、加強(qiáng)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(shí)甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)面的效應(yīng)。因而人們對(duì)抗震概念設(shè)計(jì)重要性的理解也愈來愈深刻：對(duì)橋梁的抗震設(shè)計(jì)決不能被動(dòng)地作地震時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變位的驗(yàn)算，而是要根據(jù)地震作用及震害的機(jī)理，從設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(jì)。根據(jù)上述的指導(dǎo)思想我們?cè)跇蛄航Y(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(jì)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(shí)也提高了橋上行車的舒適性。
(2)對(duì)常規(guī)的簡支橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)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_(tái)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(shí)，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(shí)極易產(chǎn)生河岸向河心滑移，會(huì)使橋梁隨之發(fā)生錯(cuò)動(dòng)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(qiáng)措施以減免滑移。
(4)對(duì)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(jì)。
(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(shí)。對(duì)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(duì)高烈度區(qū)的橋梁設(shè)計(jì)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(tái)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轿灰剖置舾校鴥蛇厴蚺_(tái)的非同步激振會(huì)引起較大的偽靜力反應(yīng)．有時(shí)甚至?xí)笥趹T性力所引起的動(dòng)力反應(yīng)，因此要求震區(qū)的拱橋墩臺(tái)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(shí)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(huì)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(jì)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(tái)應(yīng)有一定的錨固長度以增強(qiáng)連接點(diǎn)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(duì)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(jì)彎矩。
(12)采用將橋墩某些部位（如墩腳）設(shè)計(jì)成具有足夠的延性，以使在強(qiáng)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(dòng)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(jiān)硬土層上，由于結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)增大和堅(jiān)實(shí)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?cè)跇蛄涸O(shè)計(jì)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(jì)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(shí)對(duì)提高和完善橋梁結(jié)構(gòu)物的各項(xiàng)功能性、經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效應(yīng)性同樣是有益的。
參考文獻(xiàn)：
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