有關(guān)橋梁工程抗震設(shè)計(jì)的研究與探討

葉思凱

摘要：橋梁工程抗震設(shè)計(jì)是當(dāng)代橋梁設(shè)計(jì)工作中的重中之重，它既關(guān)系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，又關(guān)系到建設(shè)單位的經(jīng)濟(jì)利益。本文分析了在地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)破壞特點(diǎn)，重點(diǎn)針對(duì)橋路口工程抗震設(shè)計(jì)中幾個(gè)常見設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討。以求為提高橋梁工程抗震設(shè)計(jì)，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；抗震設(shè)計(jì)；地震

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，我國(guó)橋梁行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，越來越多的橋梁從祖國(guó)大地拔地而起。眾所周知，我國(guó)處于地震多發(fā)地帶，回顧近代地震史，有唐山大地震、汶川大地震……，這些地震都給我國(guó)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)等方面帶來了無可估量的損失，許多昔日繁華的城鎮(zhèn)在地震的破壞下變得殘壁斷垣，至今國(guó)人無不思痛。可見，合理的抗震設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度和延性等指標(biāo)上有最佳的組合，使結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防的目標(biāo)。本文在此主要探討了橋梁工程抗震設(shè)計(jì)相關(guān)問題，為今后橋梁設(shè)計(jì)起到借鑒作用。

1 地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)破壞特點(diǎn)

1.1 構(gòu)件形式

結(jié)構(gòu)在水平地震荷載作用下由于過大的變形導(dǎo)致混凝土保護(hù)層脫落、鋼筋壓屈和內(nèi)部混凝土壓碎、崩裂。結(jié)構(gòu)失去承載能力在框架結(jié)構(gòu)中，通常柱的破壞程度重于梁、板；鋼筋混凝土構(gòu)件通常會(huì)出現(xiàn)斜向或交叉裂縫；配置螺旋箍筋的混凝土柱，當(dāng)位移角達(dá)到較大數(shù)值時(shí)，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大的抵抗能力。橋梁從結(jié)構(gòu)角度講是不規(guī)則結(jié)構(gòu)，其受力特點(diǎn)復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中；特別是在水平地震作用下，由于橋梁板的“斜撐”作用，橋梁形成的實(shí)際支撐對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，與結(jié)構(gòu)整體剛度的大小有關(guān)，對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響更是相當(dāng)微妙。而上部結(jié)構(gòu)的地震慣性力通過支座傳到下部結(jié)構(gòu)，當(dāng)傳遞荷載超過支座設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)支座發(fā)生損傷、破壞。支座損傷也是引起落梁破壞的主要原因。對(duì)于下部結(jié)構(gòu)而言，支座損傷可以避免上部結(jié)構(gòu)的地震荷載傳到橋墩，避免橋梁發(fā)生破壞。

1.2 結(jié)構(gòu)體系

當(dāng)梁體的水平位移超過梁端支撐長(zhǎng)度時(shí)發(fā)生落梁破壞。落梁破壞是由于梁與橋墩（臺(tái)）的相對(duì)位移過大，支座喪失約束能力后引起的一種破壞形式。采用框架-抗震體系的橋梁結(jié)構(gòu)，破壞程度較輕；相反剛度柔弱的底層破壞程度十分嚴(yán)重；采用框架填充墻體系的房屋，當(dāng)?shù)讓訛槌ㄩ_式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴(yán)重破壞；采用鋼筋混凝土板、柱體系結(jié)構(gòu)的建筑，因樓板沖切或因樓層側(cè)移過大、柱腳破壞，各層樓板墜落重疊在地面。以前橋梁結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)時(shí)梁、板按受彎構(gòu)件簡(jiǎn)化模型進(jìn)行計(jì)算，僅計(jì)算豎向荷載設(shè)計(jì)橋梁構(gòu)件，未將橋梁作為整體結(jié)構(gòu)的一部分考慮。而在地震作用下，橋梁梁板與主體結(jié)構(gòu)相連，成為壓彎或拉彎構(gòu)件，橋梁參與框架結(jié)構(gòu)整體受力后，結(jié)構(gòu)的水平剛度增大，結(jié)構(gòu)自振周期減小，勢(shì)必造成總地震作用加大。

2 橋梁工程抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 采用適當(dāng)?shù)钠搅⒚?/p>

如何對(duì)一個(gè)橋梁工程項(xiàng)目實(shí)施建筑布局與結(jié)構(gòu)布置？這通常與橋梁的平立面直接相關(guān)。有數(shù)據(jù)表明，簡(jiǎn)單、規(guī)則的橋梁結(jié)構(gòu)其抗震能力普遍較強(qiáng)。這是因?yàn)閺?fù)雜式橋梁結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)內(nèi)部構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度形不成一致規(guī)律，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)非常明顯。因此，在對(duì)橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)中務(wù)必加強(qiáng)措施，盡可能遵循建筑物的均勻?qū)ΨQ原則，避免采用不規(guī)則的建筑方案，從總體上降低橋梁的剛度偏心率，并準(zhǔn)確無誤地計(jì)算出相關(guān)的地震反應(yīng)數(shù)據(jù)，這有利于在必要的情況下采取抗震措施和細(xì)分處理措施，保障在地震作用下，受力有明確、直接的傳遞途徑。

2.2 選擇有利場(chǎng)地

在橋梁內(nèi)部實(shí)際配筋計(jì)算時(shí)，橋梁板按單向板力學(xué)模型進(jìn)行配筋計(jì)算，上部負(fù)筋通常按照跨復(fù)雜性，首先需要通過概念抗震設(shè)計(jì)來間接實(shí)現(xiàn)“大震不倒”，橋梁的抗震概念設(shè)計(jì)與計(jì)算設(shè)計(jì)同等重要。由于施工場(chǎng)地的地質(zhì)環(huán)境不同，橋梁結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)也是不盡相同的。因此，在有選擇的情況下，選擇一塊有利于抗震的場(chǎng)地開展施工，很大程度上可以減輕地震所造成的損害。在選擇建筑場(chǎng)地之前，首先根據(jù)建筑場(chǎng)地的地質(zhì)狀況及建筑結(jié)構(gòu)的需求，分析出哪些是有利地段，哪些是不利地段，無論何時(shí)都不要在危險(xiǎn)地段上進(jìn)行建設(shè)，以免造成不必要的人員傷亡與財(cái)物損失。此外，還要盡可能地錯(cuò)開地震周期與在建項(xiàng)目的自振周期，用以防止橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振損壞。

2.3 保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性

橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞源于地震動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，因此抗震設(shè)計(jì)要力圖使從地基傳入結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量為最小，并使結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、剛度和延性，以防止不能容忍的破壞。所謂的結(jié)構(gòu)的延性，就是在承載力沒有明顯減小的情況下，結(jié)構(gòu)所能產(chǎn)生非彈性變形的能力，其很大程度上體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的變形能力。有必要說明的是：在地震作用下，結(jié)構(gòu)的延性直接影響著橋梁能否在災(zāi)難中屹立不倒，所以結(jié)構(gòu)的延性在某些意義上等同于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，二者都是建筑抗震設(shè)計(jì)中所要考慮的重要指標(biāo)。那么怎么樣在地震作用下使橋梁的鋼筋混凝土展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的延性呢？這應(yīng)該盡量地將塑性變形集中作用于延性較好的構(gòu)件上。良好的延性對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用無疑是肯定的，一方面它能有效地降低地震作用對(duì)橋梁的影響，另一方面還能吸收地震能量，防止建筑結(jié)構(gòu)的倒塌。

2.4 增強(qiáng)橋梁的整體性

橋梁作為許多細(xì)節(jié)構(gòu)件連接而成的整體，是一個(gè)具備空間剛度的結(jié)構(gòu)體系，其能否承受地震驚人的破壞力量，全看各構(gòu)件間能不能實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)工作、有機(jī)地形成一個(gè)整體。所以說，橋梁的整體性能不但是建筑抗震的首要條件，還是橋梁抗震設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容。一般來說，鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁板的整體性能好，在適當(dāng)位置布設(shè)構(gòu)造柱，并配置相應(yīng)的構(gòu)造鋼筋，不但能夠消除滑移、散落等問題，加強(qiáng)橋梁梁板的剛度值，還能適當(dāng)放寬對(duì)橋梁的平面要求，對(duì)于橋梁的層間變形，也非常容易控制。

2.5 加強(qiáng)抗震防線的建設(shè)

如今，許多橋梁都設(shè)置多道抗震防線，以增強(qiáng)建筑的抗震能力。一旦地震來臨時(shí)，第一道防線在強(qiáng)烈的地震力的沖擊下遭到破壞后，還有后備的第二道、第三道甚至更多的防線立即接替，抵擋住后續(xù)的地震沖擊力，這樣可以最大限度的保證橋梁的安全，免于倒塌。另外，在進(jìn)行橋梁抗震能力的設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用具有多個(gè)肢節(jié)的抗震結(jié)構(gòu)體系。橋梁結(jié)構(gòu)可以通過合理設(shè)置連梁，使其具有優(yōu)良的多道抗震防線性能。還可以利用在結(jié)構(gòu)中增加贅余桿件的屈服和變形來分散地震的作用力，而且一旦贅余桿件遭到破壞后退出工作，還可以使整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)從當(dāng)前的穩(wěn)定日系想另外一種穩(wěn)定體系進(jìn)行過渡，避免在長(zhǎng)時(shí)間的地震作用下引起持續(xù)的共振效應(yīng)。

2.6 選擇合理的結(jié)構(gòu)形式

建筑抗震結(jié)構(gòu)體系作為抗震設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，在確定結(jié)構(gòu)體系階段，會(huì)受到許多外界因素如建筑高度、經(jīng)濟(jì)狀況、場(chǎng)地布置、施工材料等影響，是一個(gè)涉及面極廣的技術(shù)問題，必須經(jīng)過謹(jǐn)慎的思考才能確定。這方面，非但要考慮計(jì)算簡(jiǎn)圖和抗震防線等問題外，橋梁體系還應(yīng)具備一定的剛度和承載力分布，防止局部突變而產(chǎn)生過大的塑性變形。再者，在結(jié)構(gòu)布置階段，兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特征值最好相距不遠(yuǎn)，并在建筑的布局上，保持結(jié)構(gòu)對(duì)稱、布置均勻的原則，以避免主軸不在一條軸線上而引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等問題。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，橋梁工程抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)完整、系統(tǒng)的過程，是衡量橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合要求的重要指標(biāo)之一。作為一名橋梁工程設(shè)計(jì)人員，在對(duì)橋梁的抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)秉著認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度，細(xì)心分析橋梁結(jié)構(gòu)中每個(gè)構(gòu)件和各組成部分可能存在的問題，致力于設(shè)計(jì)出抗震性強(qiáng)、實(shí)用性高、經(jīng)濟(jì)性好的橋梁。

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