橋梁抗震設計有關問題分析

李克軍

摘要 本文介紹了橋梁的震害及特征,闡述了公路橋梁抗震設防原則及分類,提出了具體的橋梁抗震設計思路,同時,根據具體的設計實例,也對橋梁抗震設計的方法做了具體闡述。

關鍵詞 抗震設計;震害;構造設計

中圖分類號 U442.1 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708(2009)08-0035-02

0 引言

我國地處環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間,屬多震國家,在抗震救災中,公路交通是搶救人民生命、恢復生產的生命線。為保障公路橋梁設施的完好,發揮其在抗震救災中的作用,需對公路橋梁設計進行深入的抗震計算和研究。結構抗震構造設計是橋梁設計中的重要環節,涵蓋內容豐富,若能把地震力效應的受力計算以及概念設計綜合運用到橋梁設計上,往往會得到事半功倍的效果。

1 橋梁的震害及特征

對國內外震害的調查表明,在過去的地震中,有許多橋梁遭受了不同程度的破壞,其主要震害有以下幾點:

1)橋臺震害。橋臺的震害主要表現為橋臺與路基一起向河心滑移,導致樁柱式橋臺的樁柱傾斜、折斷和開裂。重力式橋臺胸墻開裂,臺體移動、下沉和轉動。

2)橋墩震害。橋墩震害主要表現為橋墩沉降、傾斜、移位,墩身開裂、剪斷,受壓緣混凝土崩潰,鋼筋裸露屈曲,橋墩與基礎連接處開裂、折斷等。

3)支座震害。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造上的破壞等,并由此導致結構力傳遞形式的變化,進而對結構的其它部位產生不利的影響。

4)梁的震害。橋梁最嚴重的震害現象是主梁墜落。落梁主要是由于橋臺、橋墩傾斜或倒塌,支座破壞,梁體碰撞,相鄰橋墩間發生過大相對位移等引起的。

5)地基與基礎震害。地基與基礎的嚴重破壞是導致橋梁倒塌,并在震后難以修復使用的重要原因。地基破壞主要是指因砂土液化,不均勻沉降及穩定性不夠等因數導致的地層水平滑移、下沉、斷裂。

6)另外橋梁結構的震害還表現在:結構構造及連接不當所造成的破壞,橋臺臺后填土位移過大造成的橋臺沉降,或斜度過大造成墩臺承受過大的扭矩引起的破壞。

2 橋梁的抗震設計

橋梁的抗震設計應分兩階段進行:1)在方案設計階段進行抗震概念設計,選擇一個較理想的抗震結構體系;2)在初步或技術設計階段進行延性抗震設計,并根據設計思想進行抗震能力驗算,必要時進行減、隔震設計提高結構的抗震能力。

2.1 抗震概念設計

由于地震發生的不確定性和復雜性,再加上結構計算模型的假定與實際情況的差異,使“計算設計” 很難控制結構的抗震性能,因而不能完全依賴計算。結構抗震性能的決定因素是良好的“概念設計”。因此,在橋梁的方案設計階段,不能僅僅根據功能要求和靜力分析就決定方案的取舍,還應考慮橋梁的抗震性能,盡可能選擇良好的抗震結構體系。在抗震概念設計時,要特別重視上、下部結構連接部位的設計,橋墩形式的選取,過渡孔處連接部位的設計以及塑性鉸預期部位的選擇。

為了保證所選擇的結構體系在橋址處的場地條件下確實是良好的抗震體系,必須進行簡單的分析(動力特性分析和地震反應評估),然后結合結構設計分析結構的抗震薄弱部位,并進一步分析是否能通過配筋或構造設計,保證這些部位的抗震安全性。最后,根據分析結果綜合評判結構體系抗震性能的優劣,決定是否要修改設計方案。

2.2 常用的抗震設計方法

實用的抗震方法是增加結構的柔性以延長結構的自振周期,達到減小由于地震所產生的地震荷載和增加結構的阻尼或能量耗散能力以減小由于地震所引起的結構反應。當前,比較容易實現和有效的抗震方法主要有以下幾點:

1)采用隔震支座。采用減、隔震支座(聚四氟乙烯支座,疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座等)在梁體與墩、臺的連接處增加結構的柔性和阻尼以減小橋梁的地震反應。大量的試驗和理論分析都表明,采用減、隔震支座橋梁結構的梁體通過支座與墩、臺相聯結的方式對橋梁結構的地震反應有很大的影響,在梁體與墩、臺的聯結處安裝減、隔震支座能有效地減小墩、臺所受的水平地震力。

2)采用隔震支座和阻尼器相結合的系統。利用橋墩在地震作用下發生彈塑性變形耗散地震能量以達到減震的目的,利用橋墩的延性抗震。近20年來,國外在橋梁減、隔震和延性抗震方面進行了許多研究,美國、新西蘭和日本等在橋梁設計規范中都列入了相應的條款。

3)利用橋墩延性減震。利用橋墩的延性減震是當前橋梁抗震設計中常用的方法,橋墩延性減震是將橋墩某些部位設計得具有足夠的延性,以便在強震作用下使這些部位形成穩定的延性、塑性鉸,產生彈塑性變形來延長結構周期,從而耗散地震能量。在進行延性抗震設計時,按彈性反應譜計算塑性反應的地震荷載需要修正,橋梁抗震設計規范采用了綜合影響系數來反映塑性變形的影響。

3 工程實例

3.1 工程概況

舟山大陸連島工程主線橋左幅46~48 號墩,上部結構為3~25m組合式小箱梁,先簡支后連續結構,每幅8片箱梁,梁高1.4m。每片箱梁下設2個支座,45、48號墩臺設滑板支座,46、47號墩設板式橡膠支座。

下部結構:墩柱為1.4×1.4m的方柱,基礎為灌注樁基礎,樁徑為1.5m,柱高及樁長見下表。

柱高及樁長數量表

橋面為四車道,設計汽車荷載為公路-I級。

橋面鋪裝:10cm砼+8cm瀝青砼。

3.2 計算資料

3.2.1 支座的抗推剛度

每個梁端有兩個支座,橫向一排有16個支座,故支座剛度為板式橡膠支座:Kr=nAG/t=(16×100000×1.2)/50=37892KN/m,其中支座面積為A=π×(350/2)×(350/2)= 100000mm2

橡膠支座彈性剪切彈性模量G=1.2MPa,支座橡膠層總厚度t=65×0.75=50mm

3.1.2 二期恒載

橋面鋪裝:(0.1×22.5×25+0.08×22.5×23)=98KN/m

護欄:8×2=16KN/m

二期恒載:98+16=114 KN/m

3.1.3 抗震反映譜分析

結構分析采用Midas分析程序,動力特性采用離散結構的有限元分析方法,主梁、蓋梁、橋墩和樁基礎均離散為空間梁單元。對于邊界條件的模擬,根據靜力剛度等效的原則,采取將樁基礎在地表以下一定深度固結處理,主梁與各橋墩間的約束條件根據設計計算的支座剛度采用一般彈性連結。

采用邁達斯程序建模,采用反應譜程序分析方法,如下:

3x25m連續梁動力特性

3.1.4 反應譜計算結果

樁基最不利截面的地震

此為樁基配28根直徑28mm鋼筋的計算結果,結果滿足要求。

My為對應截面首根鋼筋屈服是對應的彎距;

Mne為對應截面受壓區砼壓應變達到0.003時對應的彎距;

My、Mne的計算方法同Ⅰ類樁基。

4 結論

目前,地震雖然是不可控制的,但只要我們加強對橋梁震害及抗震機理的深入研究,在橋梁設計過程中認真分析地震時結構的特性和反應,精心采取一系列科學有效的抗震設計,制定先進的抗震設防原則,嚴格控制工程質量,就一定能將地震損失降到最小,并確保交通運輸線路的暢通無阻。

參考文獻

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