淺談橋梁的抗震設計與措施

周香平

(石家莊市張石高速籌建處)

1 地震對橋梁的破壞作用

地震是自然界中一種突發性的嚴重災害,具有典型的偶然性和短暫性。地震對地面構筑物的破壞作用,從破壞的性質和工程對策的角度大體可分為場地和地基的破壞作用、場地的震動作用。

1.1 場地和地基的破壞作用

當地震發生時,首先是場地和地基破壞,從而產生橋梁破損并引起其他災害。場地和地基的破壞作用,大致有地面破裂、滑坡和坍塌,地基失效等幾種類型。這種破壞作用,對位于斜坡地貌及軟弱土質地基上的橋梁工程影響較大。

地震發生后,橋梁的破壞形式一般表現為以下幾種。

(1)橋臺錐體、墩周鋪護開裂,甚至滑移。

(2)墩臺身位移,支座錨栓剪斷,嚴重時產生落梁現象。

(3)砂土液化,橋墩下沉。

(4)墩臺身開裂,嚴重時橋梁倒塌。

1.2 場地的震動作用

場地的震動作用,是指由于強烈的地面運動引起橋梁的振動而產生的破壞作用。強烈的地面震動是引起橋梁破壞的最普遍和最主要的原因。同時也是引發其他地震破壞如地基失效、滑坡和坍塌等的外部條件。

2008年發生的“5· 12”汶川大地震所造成道路、橋梁和其他城市基礎設施的損失巨大,位于震中的汶川縣附近道路基礎設施受到嚴重破壞,橋梁震害最為典型和嚴重,其影響范圍大、波及范圍廣歷史罕見,而橋梁結構作為生命線工程的重要組成部分,在抗震中顯得意義非常重大。

2 橋梁抗震設計思想

建于高烈度地震區的橋梁,可能遭受地震破壞,因此,必須考慮抗震設防。抗震設防的目標是“小震不壞,中震可修,大震不倒”。即按多遇地震、設計地震、罕遇地震對橋梁進行多水準設防。我國的抗震設防烈度采用《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2001)附錄D規定的地震基本烈度值。一般情況下,抗震設計按“地震動峰值加速度”和“地震動反應譜特征周期”進行抗震驗算,并按“抗震設防烈度”要求采取相應的抗震措施。

汶川大地震影響范圍大,破壞力極強,地震發生后,國家地震局、交通運輸部及時調整了四川震區未來 50年超越概率為 10%的地震動峰值區劃圖,作為災后地震評價的規劃用圖之一。該區劃圖全面提升了震區大部分地區的地震動峰值,原有橋梁抗震設防等級已不適應新規劃圖要求,有專家提出“修舊如舊”的原則,即對于既有橋梁,不提高其設防等級,對于新建橋梁,按新地震動峰值進行抗震設計,提高橋梁抗震設防等級,以使新建橋梁能夠抵抗高烈度的地震破壞。

3 橋梁抗震設計原則

(1)橋梁抗震設計在多級設防標準的要求下,對結構強度、延性變形、結構控制、結構整體穩定也要求在多級設防的原則下進行抗震設計。

(2)對橋梁抗震性加以分析研究,某類結構不能在地震區內修建。在分析研究原有結構抗震性能的基礎上,應提出更能適應地震作用的結構型。其次,對結構抗震設計不是被動地作為地震作用時結構強度、變位的驗算,而是要從設計角度,提高結構的防震能力,要系統考慮結構的行為能力設計。

(3)針對目前大量高架橋倒塌毀壞的教訓,必須開展對抗震支座、各種型式橋墩的延性研究,要利用約束混凝土的概念提高它的延性。不但對鋼筋混凝土、預應力混凝土,而且對高強混凝土結構、混合結構的延性都需展開研究。

(4)結合我國國情,研究結構控制的有效型式,加強抗震措施。必須采用“以柔克剛”的設想來考慮地震區結構抗震設防的出發點,改變單純的“以剛克剛”的舊傳統設防觀點。對地裂、地面鍺動、邊坡倒塌、沙土液化時橋梁結構如何抗震設防也應該作深入的研究。

4 橋梁抗震設計措施

在橋位選擇、橋孔布設、橋梁結構體系的選擇、橋型布置、路線走向以及橋梁結構細部設計中可以采取以下措施以達到結構防震、減少震害的效果。

4.1 總體設計中應注意的問題

(1)橋位選擇。

選擇橋址時,橋梁位置應選在良好和穩定的河段,應避開地震時可能發生地基失效的松軟場地,選擇堅硬場地。如果必須在穩定性差的軟弱場地上河段通過時,應盡量采用橋梁中線與河流正交,這樣即使地震產生河岸滑移,影響也較小;若采用斜交,地震時極易產生河岸向河心滑移,會使橋梁隨之發生錯動或扭轉破壞。拱橋應盡量避免跨越斷層,特殊困難情況下應進行地震安全性評價。

(2)橋型選擇。

橋梁應結合地形、地質條件、工程規模及震害經驗,選擇合理的橋型及墩臺、基礎型式。宜盡可能采用技術先進、經濟合理、便于修復加固的結構體系。可以考慮采用減震的新結構,比如型鋼混凝土結構等。

(3)橋孔布置。

橋孔宜選用有利于抗震的等跨布置,并盡量避免高墩與大跨的結合。宜體形簡單、自重輕、剛度和質量分布均勻、重心低、便于施工。位于地震后可能形成泥石流溝谷上的橋梁,孔跨和橋下凈高宜根據流域內的地形、地質情況酌情加大。

4.2 橋梁抗震構造措施

(1)對常規的簡支橋梁結構應加強橋面的連續構造,以及需提供足夠的加固寬度以防止主梁發生位移落梁,另外還應適當的加寬墩臺頂蓋梁及支座的寬度,并增設防止位移的隔擋裝置。對采用橡膠支座而無固定支座的橋跨,應加設防移角鋼或設擋軌,作為支座的抗震設計。

(2)在地震區的橋梁結構以采用跨度相等、每聯連續跨內下部墩身剛度相等為宜。跨度不均,墩身剛度不等極易發生震害。對各墩高度相差較大的情況可采用調整墩頂支座尺寸和樁頂設允許墩身位移的套筒來調整各墩的剛度,以便使之剛度盡量保持一致。地震區橋跨不宜太長,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力。

(3)對高烈度區的橋梁設計應在縱向設置一定的消能裝置,如采用減、隔震支座,以及在梁體和墩臺的連接處增加結構的柔性和阻尼以便共同受力和減小水平橋梁荷載。

(4)由于拱橋對支座水平位移十分敏感,而兩邊橋臺的非同步激振會引起較大的偽靜力反應,有時甚至會大于慣性力所引起的動力反應,因此要求震區的拱橋墩臺基礎務必設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。

(5)橋梁的基礎應盡可能的建在可靠的地基上,應加強基礎的整體性和剛度,同時采取減輕上部荷載等相應措施,以防止地震引起動態和永久的不均勻變形。在可能發生地震液化的地基上建橋時,應采用深基礎,使樁或沉井穿過可能液化的土層埋人較穩定密實的土層內一定深度。并在樁的上部,離地面 1～3m的范圍內加強鋼筋布設。

(6)墩柱設計中應盡可能的使用螺旋形箍筋,以便為墩柱提供足夠的約束。另外墩身及基礎的縱向鋼盤伸入蓋梁和承臺應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。

(7)采用將橋墩某些部位設計成具有足夠的延性,以使在強震作用下使該部位形成穩定的延性塑性鉸,并產生彈塑性變形來延長結構的振動周期,耗散地震力。

(8)采用上部結構和橋墩完全連接的剛構體系,并且樁尖穿過可液化層達到堅硬土層上,由于結構的超靜定次數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。

5 結束語

雖然目前地震還不可有效的預測,但是只要我們通過研究認識地震對結構的破壞規律,橋梁設計時根據具體的地質環境條件,同時綜合考慮經濟因素與安全因素,選擇恰當的抗震措施,就能盡量減低震害的影響。

[1]中華人民共和國交通運輸部(JTG/TB02-01-2008)公路橋梁抗震設計細則[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]任繼倉,謝瑞新,楊中文.橋梁抗震設計探究[J].公路交通科技,2008,(9):5-7.

[3]袁騰文.淺談公路橋梁的防震設計[J].工程技術,2009,(3):49.

[4]范立礎,李建中.汶川橋梁震害分析與抗震設計對策[J].公路,2009,(5).

[5]宋恒揚.汶川大地震橋梁震害對山區既有簡支梁橋抗震加固的啟示[J].西南公路,2008,(4).