探討橋梁工程抗震設(shè)計問題

周永生,安欣

摘要 當下的熱點研究問題是橋梁工程的抗震能力研究。橋梁在交通運輸方面有著特殊的意義，它是連接江河海湖上，讓行人車輛能夠順利通行的重要建筑。近年來的地震讓國內(nèi)外都受到不少損失，并且公路和橋梁都遭受了破損，不同程度的震撼使重建家園的進度受到影響，它造成了道路中斷，造成抗震救災(zāi)和運輸工作的很大阻礙。因此，橋梁工程也被稱為生命線工程，如今橋梁抗震問題也開始引起越來越多的關(guān)注。本文在分析橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的主要形式基礎(chǔ)上，闡述了橋梁抗震設(shè)計原則，最后對于橋梁抗震設(shè)計方法進行分析，重點探討了橋梁抗震概念設(shè)計原創(chuàng)、介紹了抗震設(shè)計的參數(shù)等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞 橋梁工程；抗震破壞；抗震設(shè)計

中圖分類號U442 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）43-0017-02

0 引言

地震是一種毀滅性很強的自然災(zāi)害，具有突發(fā)性，雖然它持續(xù)的時間只有短短的幾十秒，但會造成非常巨大的損失，歷來是嚴重危害人類的大災(zāi)害。與其他自然災(zāi)害不能相比的是，它帶來的損失不僅僅是財產(chǎn)，還有無數(shù)生命。在最近的20年里，全球發(fā)生了許多次地震，震級大，極具破壞性，尤其是發(fā)生在城市中，造成的生命財產(chǎn)損失是慘重的。每個城市的都有個共同特點是：每個橋梁工程都受到了不同程度的損壞，切斷了地震區(qū)域的交通生命線，給救災(zāi)的行動也帶來了很大的困難，加重了災(zāi)區(qū)的次生災(zāi)害。而對交通線的依賴性也越來越強。交通線被地震破壞，直接導致生命財產(chǎn)和間接造成經(jīng)濟損失的程度變大。地震里的橋梁工程受到破壞的后果影響著國家對其的關(guān)注性。因此，橋梁工程的抗震研究也彰顯了重要性。

1 橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的主要形式

滑坡、地表斷裂、軟土震陷、沙土液化等都是地震所造成的主要地表破壞現(xiàn)象。軟弱粘性土的土坡，有著軟弱夾層不穩(wěn)定的邊坡，層里傾斜且會在地震時受到附加水平力或土層的強度降低發(fā)生滑動等意外。導致了在這些附近或邊坡修筑的建筑物損壞。在山區(qū)或丘陵地區(qū)，由地震引起的滑坡是震害特點。滑坡大都出現(xiàn)在人工邊坡開挖面還有平原地區(qū)的河岸不穩(wěn)定地區(qū)。在地震作用下，飽和沙土的結(jié)構(gòu)遭到破壞，土地的顆粒發(fā)生了相對位移，體積也收縮了，孔隙水壓力也暫時明顯增大，當沙土顆粒形同呈懸浮狀態(tài)的“液體”時，就是孔隙水的壓力上升到了與外部壓力相等的時候，土體的抗剪強度就喪失了；而另一方面，“噴水冒沙”現(xiàn)象的形成，是高壓力孔隙水將沙土顆粒同時帶了出來，噴出了地面。在強震作用下，土體結(jié)構(gòu)的強度降低，孔隙水從邊界因為壓力增大而排出，軟黏土因為擠壓的狀況而產(chǎn)生的不均勻沉陷，土體結(jié)構(gòu)也被擾動。而會導致橋梁的結(jié)構(gòu)尤其是超靜定結(jié)構(gòu)的破壞甚至倒塌的原因，就是不均勻沉陷所引起的內(nèi)力重分布。而在橋梁的組成部位上，就是橋梁震害發(fā)生破壞的重點部位。橋梁通常都是由支撐連接構(gòu)件、上部結(jié)構(gòu)、墩臺等結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)組成的。

2 橋梁抗震設(shè)計原則

1）場地的選擇。第一步我們要依據(jù)地震危險性的分析來判斷選擇比較安全的地方，然后我們需要考慮這個地區(qū)內(nèi)部的場地選擇，例如，選擇較為堅硬的地方，以免地震的時候因為地基松軟導致抗震失效；

2）體系整體性和規(guī)則性的重視。不管是在平面上還是在立面上，結(jié)果的布置均需要使用科學的幾何尺寸，剛度以及質(zhì)量均勻，規(guī)則對策，從而來避免突然的變化。橋梁的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能是連續(xù)的，從而保證橋梁良好的整體性。較好的整體性是結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用的基本條件，同時它也可以有效地防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時被震散掉落；

3）增強結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的延性和強度。橋梁的抗震設(shè)計主要是控制從地基傳入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的能量為最小值。同時提高結(jié)構(gòu)自身的剛強度以及延性。由于橋梁地震破壞的原因主要是橋梁結(jié)構(gòu)的震動。因此，在不改變橋梁的剛度以及重量的前提條件下，提高總體的延性以及強度是橋梁抗震的兩個比較有效的途徑。剛度能夠有效的控制結(jié)構(gòu)變形，延性以及強度是兩個抗震的關(guān)鍵指標。只重視強度而忽視延性絕對不是良好的抗震設(shè)計，因為地震動可造成結(jié)構(gòu)和構(gòu)件周期反復變形，使其剛度與強度逐漸退化；

4）嚴格遵循能力設(shè)計原則。在我國以前的建筑抗震設(shè)計中，普遍采用“強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計思想。強度安全度差異是能力設(shè)計思想特別強調(diào)的，即在不同破壞模式（延性破壞和脆性破壞模式）和不同構(gòu)件（能力保護構(gòu)件——不適宜發(fā)生非彈性變形構(gòu)件的統(tǒng)稱和延性構(gòu)件）之間確立不同的強度安全度。通過強度安全度差異，確保在大地震下，結(jié)構(gòu)不發(fā)生脆性的破壞模式，而是以延性形式反應(yīng)；

5）建立多道抗震防線。在強地震過程中，應(yīng)該保證一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結(jié)構(gòu)，從而避免結(jié)構(gòu)倒塌。因此要盡量使橋梁成為具有多道抵抗地震側(cè)向力的體系。從這點上看，超靜定結(jié)構(gòu)要明顯優(yōu)于同種類型的靜定結(jié)構(gòu)。

3 抗震設(shè)計的參數(shù)

橋梁抗震設(shè)計的主要參數(shù)有3個：橋梁結(jié)構(gòu)的強度、剛度和延性。

3.1 強度

結(jié)構(gòu)只有具有足夠的強度，以抵抗結(jié)構(gòu)在其彈性地震反應(yīng)時所產(chǎn)生的內(nèi)力，才能保證橋梁結(jié)構(gòu)在預期的地震作用下免遭破壞。對于發(fā)生概率很低的地震，如部規(guī)規(guī)定的設(shè)防地震（475 年一遇的地震），結(jié)構(gòu)需要具有相當高的強度才能抵抗其激起的彈性地震力。

3.2 剛度

結(jié)構(gòu)剛度把荷載或作用力與結(jié)構(gòu)的變形聯(lián)系起來，其估計值將直接影響到對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)位移的預期值。因此工程師必須估算出結(jié)構(gòu)的實際剛度，以正確可靠地計算結(jié)構(gòu)在地震側(cè)向力作用下的變形，進而控制其變形。過去往往人為的低估了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)位移，簡單的用全截面剛度來代替開裂截面剛度，結(jié)果導致地震中落梁震害的嚴重后果頻出。

3.3 延性

通常用延性這個術(shù)語來描述結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或材料用于抵抗其在非彈性反應(yīng)范圍內(nèi)的變形的能力。延性是位于地震區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)所必須具備的一個無比重要的特性。由于地震動對結(jié)構(gòu)的作用是以運動方式、而非力的方式出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)能夠依靠其延性，在大地震迫使橋梁產(chǎn)生大變形時（這些變形可能遠遠超出了彈性范圍），仍能維持其大部分初始強度，從而免于倒塌。

4 橋梁抗震設(shè)計應(yīng)注意的事項及建議

4.1 橋梁抗震設(shè)計注意事項

1）如果剛度的變化太大，剛性大的橋墩在地震中容易產(chǎn)生破壞，應(yīng)盡可能讓沿縱橫、縱橋向的橋墩剛度一致；

2）曲線橋會使結(jié)構(gòu)地震的反應(yīng)復雜化，將橋軸線盡量設(shè)計成直線；斜交會引起增大位移的轉(zhuǎn)動響應(yīng)，使橋墩和橋臺盡可能與軸線垂直；

3）為了觀察與修復的方便，應(yīng)將塑性鉸設(shè)計在墩柱上，而不應(yīng)在主梁、蓋梁、地下或水中的樁頂處；

4）我們在進行選材以及確定結(jié)構(gòu)的形式的時候應(yīng)該遵照以下的幾個基本原則：變形能力強，質(zhì)量輕強度高，結(jié)構(gòu)的整體性好，剛度和強度衰減小。單從抗震性能優(yōu)劣對材料進行劃分依次為：鋼結(jié)構(gòu)，鋼礬組合結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋礬，預制鋼筋礬，預應(yīng)力礬，砌體；

5）增加結(jié)構(gòu)延性，防止脆性與失穩(wěn)破壞。磚、石、素砼的開裂和鋼筋砼的剪切破壞是常見的脆性破壞；斜撐和柱的失穩(wěn)以及柱中縱向鋼筋在箍筋不足時的壓屈是常見的失穩(wěn)破壞。

4.2 橋梁抗震設(shè)計的建議

1）地震有著不確定性的特點，因此會導致計算橋梁抗震結(jié)構(gòu)的失真。地震運動是因為震源通過傳播介質(zhì)體再通過場地地質(zhì)體這樣一系列的變化運動而形成的綜合變化，所以，在計算的過程中存在很多的不確定性模糊事件；

2）我們應(yīng)該盡可能的使用連續(xù)的橋跨來替代簡支梁，減少伸縮縫的數(shù)量，降低在這個地方落梁的可能性。同時也增加橋上駕車的舒適度；

3）為防止主梁發(fā)生位移落梁，應(yīng)加強橋面的連續(xù)構(gòu)造以提供足夠的寬度；另外還應(yīng)適當?shù)赝貙挾沼犴斏w梁及支座，并增設(shè)隔擋裝置以防止位移；

4）應(yīng)該選取比較好的，較為穩(wěn)定的河段架設(shè)橋梁，如果沒有辦法，必須在穩(wěn)定性比較差的河段進行架設(shè)，那么應(yīng)該盡量采用橋梁的中心與河流成正交狀態(tài)，盡可能的避免河槽和河灘分界的地方發(fā)生突變；

5）軟土的液化會加大地震反應(yīng)，因此橋梁的基礎(chǔ)應(yīng)盡可能地建在可靠的地基上；

6）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，因此橋跨宜短而不宜太長；

7）為了便于給墩柱提供足夠的約束，墩柱設(shè)計中應(yīng)盡可能地使用螺旋形箍筋。另外為了增強連接點的延性墩身及基礎(chǔ)的縱向鋼筋伸入蓋梁和承臺應(yīng)有一定的錨固長；

8）較高的排架橋墩，更易發(fā)生墩柱的橫向位移和設(shè)計彎矩，因此對較高的排架橋墩，墩間應(yīng)增設(shè)橫系梁；

9）采用新技術(shù)、新材料增強橋梁的減隔震，實現(xiàn)橋梁的抗震設(shè)計。比如減隔震支座，即鉛芯橡膠支座、雙曲面(球面)支座、阻尼器等。

5 結(jié)論

橋梁工程的抗震設(shè)計需要每個研究者的認真對待，它的設(shè)計體現(xiàn)在各個階段，是一項重要的系統(tǒng)工程。在可行性研究階段，應(yīng)該將抗震概念的設(shè)計進行強化，選擇橋型和橋位的時候要合理一點；初步的設(shè)計階段，將抗震體系的設(shè)計強化，把合理的抗震驗算準則和設(shè)防標準確定下來，將結(jié)構(gòu)的總體進行分析，在設(shè)計的過程中，我們要重視抗震結(jié)構(gòu)的每一個細節(jié)。

參考文獻

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