橋梁設(shè)計中抗震設(shè)計探討

喬長江+曾卓

摘要：地震對橋梁工程造成的破壞是非常嚴重的，所以，必須做好橋梁的抗震設(shè)計，以確保橋梁工程的安全。本文對橋梁設(shè)計中的抗震設(shè)計作了討論，希望對橋梁工程的發(fā)展有利。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；橋梁設(shè)計；抗震設(shè)計

前言

地震是一種無法控制的自然災(zāi)害，其具有突發(fā)性和巨大的毀滅性，往往當大的地震發(fā)生時，破壞和損失是無法估量的。因此，在橋梁工程中，做好抗震設(shè)計相當必要。

1地震給橋梁帶來的破壞分析

1.1地基和基礎(chǔ)破壞

地基破壞發(fā)生的原因主要有：不均勻沉降、穩(wěn)定性不足等，這些因素都可能會造成地層水平滑移、斷裂、下沉，最終結(jié)構(gòu)物遭到破壞。基礎(chǔ)破壞和地基破壞之間存在非常密切的關(guān)系，一旦地震對結(jié)構(gòu)周圍地基產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)的強度就會變低，很容易出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降或者滑移現(xiàn)象，甚至可能出現(xiàn)剪斷、傾斜破壞等一系列現(xiàn)象，最終出現(xiàn)墩臺傾斜、折斷或者倒塌。

1.2支座損傷

地震慣性力會通過支座從上部結(jié)構(gòu)傳遞到下部結(jié)構(gòu)，如果傳遞力超過支座的承受能力，則會出現(xiàn)支座損傷、破壞的情況。同時支座損傷還會造成落梁破壞，并且是其發(fā)生的主要原因。支座損傷能夠阻止地震荷載由上部結(jié)構(gòu)傳遞到橋墩，保護橋梁不受損壞。

1.3落梁破壞

梁和橋墩（臺）的相對位移太大時，支座的約束能力會喪失，這時導致落梁破壞。出現(xiàn)落梁破壞的狀況為橋墩之間地震相對位移過大、支座破壞、梁問地震碰撞等等狀。

1.4橋墩破壞

橋墩起著支撐橋梁上部結(jié)構(gòu)的作用，地震對其造成的震害主要有以下三點：第一、墩柱因塑性鉸或是其抗剪能力較差導致抗剪能力下降。第二、墩柱的箍筋約束力不行，致使韌性較差而造成破壞。第三、墩柱縱向鋼筋的搭接長度不夠或是同一斷面主筋搭建的過多，出現(xiàn)薄弱斷面致使橋墩發(fā)生破壞。

1.5橋臺破壞

橋臺支撐著橋梁并且位于其兩邊，一般分布于一般分布于岸邊的原域填土上，用鋼筋混凝土建設(shè)矩形或是三角形的支臺，這一部分的抗震能力最弱。這是由于橋臺的路基高且三面臨空，振動大，而且橋臺的剛度和下面土的剛度不同，并且兩者在地震時會發(fā)生相互作用。地震發(fā)生時，土體會出現(xiàn)液化、震陷現(xiàn)象，同時橋臺破壞。在地震中橋臺會出現(xiàn)嚴重的破壞，如唐山勝利橋的橋臺發(fā)生滑移、沉陷與傾斜后，并且兩橋臺側(cè)翼墻砌體發(fā)生開裂，臺身在臺帽以下附近水平裂縫較大。

2橋梁設(shè)計中抗震設(shè)計的原則

2.1體系的整體性和規(guī)則性原則

要保持橋梁的整體性，這樣發(fā)生地震時橋梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不會被震散掉落。此外，橋梁結(jié)構(gòu)的布置還要盡量實現(xiàn)幾何尺寸、剛度及質(zhì)量的均勻、規(guī)整、對稱，防止出現(xiàn)突然的變化。

2.2結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強度和延性原則

地震會致使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，進而破壞橋梁結(jié)構(gòu)，所以抗震設(shè)計要提高結(jié)構(gòu)的剛度、強度和延性，并且最大程度地降低地基傳入結(jié)構(gòu)的振動能量，這樣能夠降低破壞程度。在重量、剛度不變的情況下，有效的抗震方式為提高總體的強度和延性。

2.3能力設(shè)計原則

能力設(shè)計原則是指橋梁的強度安全度應(yīng)有所不同，也就是說不同構(gòu)建和不同破壞模式的強度安全度不同。這是因為不同的強度安全度能夠確保橋梁結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時呈現(xiàn)出延性的反應(yīng)形式，而不是脆性的破壞模式。

2.4多道抗震防線原則

要使橋梁具有多道抗震防線，這樣在強地震發(fā)生過程中，一道防線遭到破壞后，還有其它防線，這樣橋梁不會發(fā)生坍塌。因此，在橋梁抗震設(shè)計要重視多道抗震防線的應(yīng)用。

3橋梁設(shè)計中抗震設(shè)計的措施

3.1橋梁總體設(shè)計

3.1.1橋位選擇

橋位應(yīng)選在地質(zhì)穩(wěn)定、土體堅硬的場地，避開土體松軟的場地。如橋位受限，難以避開土體松軟的場地，則盡量使橋梁與河道正交。在松軟地基上的一些特大橋、大中橋，在發(fā)生地震時很容易出現(xiàn)河岸滑移使橋臺向河心移動的現(xiàn)象，導致全橋長度的縮短，如橋梁與河道斜交就會使得梁體在地震中產(chǎn)生扭曲破壞。

3.1.2橋型選擇

不同的結(jié)構(gòu)形式對地震的響應(yīng)是不一樣的，根據(jù)地震災(zāi)害統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，縱向落梁占橋梁震害的絕大多數(shù)，約占97%。因此在橋型選擇上宜選擇結(jié)構(gòu)簡單，整體性好，有可靠縱向、橫向連接的橋型。如連續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)于簡支結(jié)構(gòu)，正交橋梁優(yōu)于斜橋、曲線梁橋。

3.1.3橋孔布置

在橋孔布置時，應(yīng)兼顧防震能力與通過能力，以防震能力為主。一般來說，在地震多發(fā)地帶宜采用等跨橋孔布置方式，兩側(cè)橋孔對稱，同時采用低矮的橋墩。橋梁整體設(shè)計在滿足使用要求的前提下，盡量減少梁體重量，減少沒必要的附屬結(jié)構(gòu)，以簡潔為主。

3.2橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1橋梁的基礎(chǔ)建設(shè)

橋梁的基礎(chǔ)要盡量建設(shè)在可靠堅固的地基上，同時強化基礎(chǔ)的剛度和整體性，并且采取有效措施降低橋梁的上部荷載，從而避免地震造成橋梁的振動和永久的不均勻變形。在可能發(fā)生地震液化的地基上建設(shè)橋梁，要采用深基礎(chǔ)，使樁或沉井穿過可能液化的土層埋入較穩(wěn)定密實的土層內(nèi)一定深度。此外，在樁的上部，離地面1～3m的范圍內(nèi)強化鋼筋布設(shè)。

3.2.2橋墩的抗震設(shè)計

橋梁的抗震設(shè)計要使橋墩某些部位的延性很強，這樣該部位在強烈地震作用下能夠形成穩(wěn)定的延性塑性鉸和彈塑性變形，從而結(jié)構(gòu)的振動周期變大，消耗分散地震的破壞力。上部結(jié)構(gòu)和橋墩采用完全連接的鋼構(gòu)體系，同時樁尖通過可液化層到達堅硬土層上，這樣結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)增加和樁尖承載能力增強，這樣有利于降低土壤的變形而失效的幾率。

3.2.3墩柱的抗震設(shè)計

在墩柱設(shè)計中為對墩柱形成足夠的約束力，需要盡量采用螺旋形箍筋。同時墩身和基礎(chǔ)的縱向鋼盤伸入承臺及蓋梁需要具有一定的錨固長度，從而提高連接點的延性，此外，橋墩基腳處要有很強的抵抗墩柱彎矩與剪切力的能力，絕對不能有塑性鉸接。

3.2.4地震區(qū)橋梁抗震設(shè)計

位于地震區(qū)的橋梁，其結(jié)構(gòu)跨度要相等及每聯(lián)連續(xù)跨內(nèi)下部墩身剛度一樣。有些墩身高度差距較大，則需要對各墩的剛度進行調(diào)整，如改變墩頂支座尺寸及在樁頂設(shè)置能夠調(diào)整墩身的套筒，使其剛度盡可能相等。

3.3橋梁性能設(shè)計

3.3.1橋梁的整體性設(shè)計

針對常規(guī)梁橋來說，應(yīng)加強橋梁縱向聯(lián)系，對于簡支的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)強化橋面的連續(xù)構(gòu)造，適當增加梁寬，并且加固寬度要充裕，這樣能夠避免主梁出現(xiàn)位移落梁。此外還要對支座和墩臺頂蓋梁的寬度進行擴寬工作，并且設(shè)立隔擋裝置避免位移。

3.3.2橋梁的延性設(shè)計

傳統(tǒng)的基于強度的抗震設(shè)計理念的缺陷，很多學者提出了強震作用下將構(gòu)件進入塑性工作范圍的理念進行考慮，利用結(jié)構(gòu)的延性進行抗震。這種設(shè)計方法主要利用地震力修正系數(shù)對反應(yīng)譜加速度的地震內(nèi)力進行調(diào)整，將不同結(jié)構(gòu)的延性需求反映出來。

3.3.3橋梁的強度設(shè)計

傳統(tǒng)抗震設(shè)計主要采用基于強度的抗震設(shè)計，這種設(shè)計方法主要是指將地震力作為靜荷載展開結(jié)構(gòu)分析，然后將結(jié)構(gòu)失效準則定義為結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度、剛度是否達到極限狀態(tài)。此種方法的主要缺陷是，在強震作用下，要求構(gòu)件保持彈性狀態(tài)，從而導致造價高昂。

3.3.4橋梁的性能設(shè)計

基于性能的抗震設(shè)計理念，其主要思想是：根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、用途及結(jié)構(gòu)破壞后引起的后果的嚴重性確定其性能目標，在此基礎(chǔ)上提出不同的抗震設(shè)防水準，使用的過程中結(jié)構(gòu)具備預期的功能，使不同性能目標要求得到滿足。

3.3.5橋梁的位移設(shè)計

基于位移的抗震設(shè)計理念是：結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生變形，從而在宏觀上表現(xiàn)為位移。目標位移的設(shè)置應(yīng)按照不同的地震設(shè)防水準來設(shè)定，通過設(shè)計在給定水準作用下結(jié)構(gòu)可以達到預先指定的目標位移，最終實現(xiàn)對其地震行為的有效控制。目前，基于性能的抗震設(shè)計主要往往是利用基于位移的設(shè)計來實現(xiàn)的。

4結(jié)語

在橋梁的設(shè)計中，抗震設(shè)計是其一個十分重要的方面，唯有不停的完善橋梁防震設(shè)計，才可以在地震的突發(fā)中保障人們的安全，還能把蓬勃的生機帶到橋梁事業(yè)的發(fā)展中。