鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

周立功

摘 要：基于可靠度設(shè)計(jì)理論的鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，不僅能降低結(jié)構(gòu)的冗余度，同時(shí)將體系破壞機(jī)制清晰地設(shè)計(jì)出來，從而減少地震后的修復(fù)費(fèi)用。在抗震分析中，鋼筋混凝土橋墩、樁基礎(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅涉及到參數(shù)，還涉及系統(tǒng)模型選取、荷載傳導(dǎo)性能等核心問題。該設(shè)計(jì)方法基于多種結(jié)構(gòu)組件的抗力層級(jí)和失效模型，利用塑性鉸的塑性變形避免脆性損傷，即通過犧牲某一構(gòu)件產(chǎn)生定向損傷，來保全其他結(jié)構(gòu)仍處于彈性變形狀態(tài)。鑒于此，本文就鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化展開探討，以期為相關(guān)工作起到參考作用。

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁；下部結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)

1、地震對(duì)地面和工程結(jié)構(gòu)物的破壞作用

地震對(duì)地面和工程結(jié)構(gòu)物的破壞作用主要表現(xiàn)以下方面：一是地震導(dǎo)致巖面和地面的突然破裂和位移引起附近的或跨斷層的建筑物的變形和破壞；二是地震引起巖體、土體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，如山崩、滑坡、泥石流等導(dǎo)致建筑物的破壞；三是地震引起土層的物理性能發(fā)生變化，使松散土層振密下沉，軟土層發(fā)生流塑或使砂土液化，使上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)失去支持而產(chǎn)生下沉、傾斜或破壞；四是建筑物在地震的沖擊下發(fā)生的振動(dòng)對(duì)建筑物的破壞。

2、橋梁主要震害形式

由于受地震破壞作用影響，橋梁的震害主要表現(xiàn)有以下幾方面：

（1）橋跨結(jié)構(gòu)的震害，最常見的是移位，此外是橋面起伏、扭轉(zhuǎn)、鋼軌彎曲等，最嚴(yán)重的是落梁。

（2）支承部分的震害，主要是指錨栓變形、切斷、拔出、輥軸支座傾覆、支座附近混凝土開裂或剝落。

（3）橋臺(tái)的震害。橋臺(tái)的震害一般比橋墩多，引起震害的原因及其相應(yīng)的震害有以下幾種：1）由于地基土液化，使橋臺(tái)向河心滑移、下沉、傾斜、傾倒或臺(tái)身斷裂等；2）由于臺(tái)背動(dòng)土壓力，使橋臺(tái)傾斜、傾倒、臺(tái)身斷裂等；3）由于地震慣性力和梁端碰撞，胸墻被損壞；4）臺(tái)背填土（橋頭路堤）大量下沉、翼墻傾斜或坍塌等。

（4）橋墩的震害，主要是墩身下沉、傾斜及傾倒和墩身開裂、切斷等。

（5）基礎(chǔ)的震害，主要表現(xiàn)是基礎(chǔ)的整體移動(dòng)、傾斜、下沉或樁身或沉井的開裂或斷裂。

3、橋梁下部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

3.1、地震區(qū)橋位和橋型選擇

橋位應(yīng)選擇在對(duì)抗震有利的地段，從選線、定橋位、決定橋孔布置等方面盡可能避免選擇在軟弱黏性土層、可液化土層和地層嚴(yán)重不均勻的地段，特別是斷層地段。如必須設(shè)置在可液化或松軟土層的河岸地段時(shí)，橋墩橋臺(tái)應(yīng)采用樁或沉井等深基礎(chǔ)，橋長(zhǎng)應(yīng)適當(dāng)增長(zhǎng)，將橋臺(tái)置于穩(wěn)定的河岸上，橋墩基礎(chǔ)要加強(qiáng)，在主河槽和河灘分界的地形突變處不宜設(shè)置橋墩。橋型要選擇抗震性能好、整體性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系，如連續(xù)梁，無鉸拱等。如著名的趙州橋，系單孔石拱橋，跨度37.37m，雖地處多地震區(qū)，建橋1300多年以來，經(jīng)歷史上兩次大地震的考驗(yàn)，至今安然屹立。

3.2、設(shè)計(jì)烈度

根據(jù)大量震害調(diào)查的事實(shí)表明，在基本烈度7度以下，橋梁震害極為輕微，因此規(guī)范中規(guī)定橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的一般起點(diǎn)為基本烈度7度，最高9度。7度以下，結(jié)構(gòu)不必進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，高于9度或有特殊抗震要求的新型結(jié)構(gòu)要進(jìn)行專門的抗震設(shè)計(jì)。《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：建筑物的設(shè)計(jì)烈度，除國(guó)家有特殊規(guī)定外，I、II、III級(jí)鐵路和I級(jí)工企鐵路應(yīng)采用所在地區(qū)的基本烈度；II、III級(jí)工企鐵路除橋梁支座、橋梁和棚洞的防止落梁設(shè)施應(yīng)采用所在地區(qū)的基本烈度外，其他工程的設(shè)計(jì)烈度均應(yīng)按基本烈度降低1度采用。

3.3、設(shè)計(jì)方法

對(duì)一般橋梁工程，可按規(guī)范所規(guī)定的簡(jiǎn)化方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。我國(guó)規(guī)范是采用反應(yīng)譜理論進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，即根據(jù)設(shè)計(jì)烈度，以簡(jiǎn)便的地震荷載系數(shù)計(jì)算地震慣性力，作為地震荷載，然后以一般結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算步驟求得結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力和變位，使其控制在規(guī)范容許值的范圍內(nèi)來確保結(jié)構(gòu)的抗震安全。對(duì)大跨度或特別重要的橋梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)力分析（地震反應(yīng)分析）。分析的方法一般是直接根據(jù)建橋地區(qū)在強(qiáng)震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的加速度記錄，依照動(dòng)力學(xué)的原理，應(yīng)用電子計(jì)算技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)作地震動(dòng)力分析計(jì)算。對(duì)于已經(jīng)建成的橋梁結(jié)構(gòu)，如不滿足現(xiàn)行規(guī)范抗震設(shè)防的要求，也可通過結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力分析作進(jìn)一步的抗震鑒定和決定最優(yōu)加固方案。

3.4、抗震強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算

橋梁的抗震設(shè)計(jì)要根據(jù)安全和經(jīng)濟(jì)兩方面統(tǒng)籌考慮，針對(duì)不同強(qiáng)度的地震采取不同的設(shè)計(jì)方法和要求。《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定設(shè)計(jì)烈度為7度及7度以上時(shí)，要按規(guī)定進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)及驗(yàn)算，設(shè)計(jì)烈度高于9度或有特殊要求的建筑物及新型結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行專門研究設(shè)計(jì)。橋梁抗震驗(yàn)算的荷載組合為地震作用與恒載和活載的最不利組合。其中，恒載包括結(jié)構(gòu)自重、土壓力、靜水壓力及浮力，活載包括活載重力、離心力及列車活載產(chǎn)生的土壓力。橋梁抗震強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算一般只需考慮水平地震荷載，并在順橋和橫橋兩個(gè)方向分別進(jìn)行計(jì)算，主要驗(yàn)算地基承載力、橋墩的水平地震荷載及內(nèi)力、橋臺(tái)的土壓力和水平地震力等。

4、橋梁結(jié)構(gòu)抗震措施

一般要求橋位應(yīng)該選擇在對(duì)抗震有利的場(chǎng)地，橋梁要結(jié)構(gòu)合理和整體性好，并應(yīng)保證良好的施工質(zhì)量。根據(jù)《鐵路橋梁抗震規(guī)范》，橋梁可采用的抗震措施主要如下：

（1）橋位應(yīng)選擇在基本列度較低及河岸穩(wěn)定和地基良好的地段。當(dāng)難以避開液化土和軟土地基時(shí)，橋梁中線應(yīng)與河流正交。

（2）橋式方案宜按等跨布置。橋墩應(yīng)避免承受斜向土壓力。橋臺(tái)宜采用U形或T形橋臺(tái)。不要把橋臺(tái)布置在不穩(wěn)定的河坡上。

（3）注重橋梁所用材料的抗震性能，一般脆性材料（如石砌圬工，素混凝土）不如延性大的材料（如鋼材，鋼筋混凝土）抗震性能好。

（4）無護(hù)面鋼筋的混凝土橋墩橋臺(tái)應(yīng)減少施工縫，施工縫處必須設(shè)置接頭鋼筋，并采取措施保證接縫處混凝土的整體性。

（5）采用明挖基礎(chǔ)的橋臺(tái)，當(dāng)基底摩擦系數(shù)小于或等于0.25是，宜將基底換填厚度不小于0.5m的砂卵石，提高抗滑穩(wěn)定性。

結(jié)束語(yǔ)：

提出一套基于可靠度分析的橋梁抗震設(shè)計(jì)方法，該方法能夠保證所有構(gòu)件承受預(yù)期的破壞模式，以合適的部件消散地震動(dòng)的動(dòng)能，失效的概率比特定值低。同時(shí)可以對(duì)鐵路橋梁進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的可靠度評(píng)估，以此來增強(qiáng)鐵路橋路的穩(wěn)定性以及安全性。

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