楊 菲

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

淺談橋梁抗震設(shè)計(jì)的問題及其對(duì)策研究

楊 菲

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

中國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，歷史上唐山大地震、汶川大地震等強(qiáng)烈的地震災(zāi)害給中國(guó)人民造成了無可估量的損失。為了對(duì)抗自然災(zāi)害，盡可能地避免地震災(zāi)害造成的問題，文章針對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)中的問題與對(duì)策進(jìn)行了總結(jié)，旨在為橋梁抗震設(shè)計(jì)工作貢獻(xiàn)一份力量。

橋梁抗震設(shè)計(jì)；震害；減震設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

中國(guó)是一個(gè)地震災(zāi)害發(fā)生頻率較高的國(guó)家，2010年5月的汶川地震給國(guó)家與人民帶來了觸目驚心的巨大損失。為了應(yīng)對(duì)頻發(fā)的地震災(zāi)害，橋梁抗震設(shè)計(jì)工作格外重要，相關(guān)工作者應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)到其職責(zé)所在，合理應(yīng)用專業(yè)知識(shí)來盡可能地提高結(jié)構(gòu)物的抗震能力，最大限度地減少地震災(zāi)害造成的不利影響。

1 常見的橋梁震害概述

橋梁震害是地震災(zāi)害中最為常見的一種橋梁震害，具體情況是橋臺(tái)和路基同時(shí)向河心移動(dòng)，樁柱式橋臺(tái)的樁柱隨之開裂、傾斜、折斷；重力式橋臺(tái)的胸墻開裂，橋臺(tái)臺(tái)體下沉、移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)；橋頭的引道沉降，翼墻開裂、損壞，施工縫開裂，橋臺(tái)撞擊主梁導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞[1]。橋臺(tái)的移動(dòng)、傾斜可能導(dǎo)致主梁受壓損壞，甚至有可能使主梁坍毀。

同樣高發(fā)的橋梁震害還有橋墩震害以及支座震害。橋墩的震害主要有橋墩傾斜、沉降、移位、墩身剪斷、開裂，受壓緣的混凝土崩壞，鋼筋屈曲、裸露，橋墩與基礎(chǔ)連接處折斷、開裂等等。在震力作用下，部分支座在最初設(shè)計(jì)時(shí)并未充分考慮到抗震要求，缺乏連接、支擋等結(jié)構(gòu)的必要構(gòu)造措施，有些情況下，支座材料與形式上的缺陷直接造成支座產(chǎn)生過大的移位或者形變，進(jìn)而導(dǎo)致了支座錨固螺栓剪斷、活動(dòng)、拔出，支座脫落，支座主體結(jié)構(gòu)破壞等。這樣的情況會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力的傳遞形式發(fā)生變化，對(duì)整體結(jié)構(gòu)中的其他部件產(chǎn)生非常不利的影響。

最為嚴(yán)重的橋梁震害現(xiàn)象則是主梁墜落。主梁墜落又稱落梁，主要成因是橋臺(tái)、橋墩的傾斜或者倒塌，梁體碰撞、支座破壞、相鄰橋墩間相對(duì)位移過大等情況[2]。除此之外，地基與基礎(chǔ)震害也是導(dǎo)致橋梁倒塌的嚴(yán)重橋梁震害。地基震害導(dǎo)致的橋梁破壞屬于災(zāi)后難以修復(fù)的橋梁震害，主要成因包括不均勻沉降、砂土液化、穩(wěn)定性低等因素造成的地層水平移動(dòng)、地層下沉、地層斷裂。地基破壞與基礎(chǔ)破壞具有緊密的相關(guān)性，地基破壞通常直接導(dǎo)致基礎(chǔ)破壞。

橋梁震害的成因具有很強(qiáng)的多樣性。地震發(fā)生時(shí)，地層的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致梁式橋梁上部的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)因?yàn)樯w梁寬度不足而發(fā)生落梁或者梁體碰撞,而拱式結(jié)構(gòu)的橋梁則會(huì)出現(xiàn)拱上建筑以及腹拱受損，拱圈在拱頂、拱腳處產(chǎn)生裂縫，整個(gè)拱圈隆起變形。

地基土的液化影響,也加大了地層移動(dòng)的影響，放大了橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，大大增加了發(fā)生落梁的可能性。采用排架樁的橋梁，會(huì)出現(xiàn)樁基承載力降低的情況，這樣的情況會(huì)導(dǎo)致與地震無關(guān)的大幅度縱移、橫移，這種現(xiàn)象在簡(jiǎn)支梁橋上格外突出。除此之外，地基強(qiáng)度低會(huì)導(dǎo)致部分地基土液化失效之后出現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)物整體傾斜、下沉、嚴(yán)重變形等情況，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物破壞，震害加劇。

低強(qiáng)度的下部結(jié)構(gòu)破壞指的是橋梁下部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，難以抵抗自身的慣性以及支座傳遞下來的主梁地震力，在地震災(zāi)情發(fā)生是結(jié)構(gòu)下部變形、開裂、失效，最終可能傾覆，引起整個(gè)橋梁的嚴(yán)重破壞。

2 設(shè)計(jì)問題的分析與解決

2.1 總體設(shè)計(jì)中問題的解決策略

總體設(shè)計(jì)是橋梁抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而橋位的選擇則是橋梁抗震總體設(shè)計(jì)過程的核心。在選擇橋址時(shí)，需避開地震時(shí)地基可能失效的松軟土地，選擇相對(duì)堅(jiān)硬場(chǎng)地。堅(jiān)實(shí)碎石地基、基巖、硬黏土地基可以說是比較理想的橋址地；人工填土、飽和松散粉細(xì)砂、極軟的黏土地基和不穩(wěn)定坡地則都屬于危險(xiǎn)地區(qū)。拱橋在設(shè)計(jì)中需要避免跨越地質(zhì)斷層，在特殊困難的情況下則必須進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

選址之外，總體抗震設(shè)計(jì)中的橋梁選型也是一個(gè)重要步驟。橋梁選型應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件、地形條件、震害經(jīng)驗(yàn)、工程規(guī)模等因素，綜合考慮后選擇合理的橋型以及墩臺(tái)、基礎(chǔ)型式。在選型過程中要采用經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、便于修復(fù)加固的橋梁結(jié)構(gòu)體系。同時(shí)還要考慮采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)等減震結(jié)構(gòu)。

橋孔應(yīng)該盡量選擇有利抗震的等跨布置，同時(shí)盡可能避免高墩、大跨的結(jié)合。需要做到自重輕、體形簡(jiǎn)單、剛度與質(zhì)量均勻分布、便于施工、重心低。位于震后可能形成泥石流的溝谷上方的橋梁，孔跨與橋下凈高應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、地形的情況酌情增大。

2.2 減震設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的要點(diǎn)

結(jié)構(gòu)剛度對(duì)稱格外有利于抗震,而不等跨橋梁則更容易發(fā)生震害。尤其是橋梁墩身高度差距過大時(shí),較矮的橋墩上將產(chǎn)生極大的水平地震力，大跨徑橋孔的橋墩上也會(huì)產(chǎn)生很大的地震力。設(shè)計(jì)上需要盡可能避免在高烈度區(qū)選用這種橋型，若無法避免這種情況，則應(yīng)當(dāng)在不利墩上采取抗震支座等消能措施以降低橋墩墩頂集成剛度[3]。

斜橋的抗震性能是比較低的。由于其抗推剛度很大，在高烈度區(qū)，橋墩的基本周期動(dòng)力放大系數(shù)也很大，這種情況會(huì)直接導(dǎo)致震災(zāi)加劇。此外，地震時(shí)橋臺(tái)處河岸不穩(wěn)，容易向河心移動(dòng)，縮短橋長(zhǎng)，使得橋孔發(fā)生扭轉(zhuǎn)或錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致墩臺(tái)的臺(tái)身折斷或開裂。在地基條件允許的情況下，臺(tái)身可以做成U型或者T型等整體性較強(qiáng)、抗推剛度高的形狀，也可以采取埋置式。松軟的地基上建造的橋梁應(yīng)該當(dāng)正交，同時(shí)適當(dāng)加大橋長(zhǎng)，盡可能將橋臺(tái)置于穩(wěn)定的河岸上。

在可能出現(xiàn)地震液化現(xiàn)象的地基上建造橋梁時(shí)，需采用深基礎(chǔ)，讓樁與沉井穿透可能液化土層，埋入較穩(wěn)定密實(shí)的深層土質(zhì)。加強(qiáng)橋體下部的支撐梁板或者采用滿河床鋪砌，盡可能保持四鉸框架結(jié)構(gòu)，嚴(yán)防墩臺(tái)在震災(zāi)發(fā)生時(shí)移動(dòng)。

高烈度地區(qū)大跨徑橋梁抗震設(shè)計(jì)過程中，縱向梁間要設(shè)置消能設(shè)施，所設(shè)計(jì)的設(shè)施要有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)還需要滿足梁端位移的要求。除此之外，為了防止落梁，需注意加強(qiáng)上、下部結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系。橋梁的支座采用的銷釘、錨栓、剪力鍵等部件都要有足夠的強(qiáng)度。

2.3 地震影響的分析與設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化

隨著人們對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的理解逐漸加深，已經(jīng)建立了多種抗震設(shè)計(jì)相關(guān)理論與地震響應(yīng)分析設(shè)計(jì)方法。從地震波的頻譜、振幅、持續(xù)時(shí)間這3個(gè)要素來看，抗震設(shè)計(jì)靜力理論主要研究了高頻振動(dòng)的振幅最大值；反應(yīng)譜的理論雖然考慮了振幅與頻譜兩個(gè)要素，但是持續(xù)時(shí)間則始終不能得到明確的表達(dá)；動(dòng)力理論是相對(duì)完善的理論，在考慮地震持續(xù)時(shí)間的同時(shí)還考慮到諸多地動(dòng)反應(yīng)譜中不能完全概括的特性。

從結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的動(dòng)力模型、輸入地震動(dòng)、實(shí)用的地震反應(yīng)分析方法、抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則這4個(gè)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論的基本內(nèi)容來看，靜力理論對(duì)上述4方面因素作出了很大程度上的簡(jiǎn)化，而反應(yīng)譜的理論也作出了相對(duì)較大的簡(jiǎn)化，最為全面的動(dòng)力理論則考慮的相對(duì)完善、復(fù)雜，動(dòng)力理論的輸入地震動(dòng)需要給出具有概率含義、符合場(chǎng)地情況的加速度的時(shí)間函數(shù)，更復(fù)雜結(jié)構(gòu)則需給出3個(gè)分量以及空間相關(guān)性[4]。結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的動(dòng)力模型更加接近實(shí)際情況，動(dòng)力模型中包含了非線性特性。地震反應(yīng)分析法綜合考慮了出現(xiàn)震災(zāi)時(shí)抗震結(jié)構(gòu)的反應(yīng)過程，包括能量損耗積累與變形，而設(shè)計(jì)原則考慮到了多種使用狀態(tài)下的安全概率保證。

3 結(jié)束語

文章首先簡(jiǎn)述了常見的震害，分析了震害產(chǎn)生的原因，進(jìn)而從總體設(shè)計(jì)、減震設(shè)計(jì)、影響的分析與設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化這3個(gè)角度剖析了橋梁抗震設(shè)計(jì)中的現(xiàn)存問題及解決方法。文章具有嚴(yán)整的邏輯結(jié)構(gòu)、充實(shí)的內(nèi)容。

[1] 徐日雄，淺談橋梁抗震設(shè)計(jì)[J]，科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2010.1.

[2] 劉青蘭，基于性能橋梁抗震設(shè)計(jì)研究[J]，內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2010.1.

[3] 孫文，試論橋梁抗震設(shè)計(jì)方法[J]，安徽建筑，2009.1.

[4] 梁巖，橋梁抗震設(shè)計(jì)措施的改進(jìn)[J]，北方交通，2009.4.

Discussion on the Problem s and Strategies Study of Bridge Seism ic Design

Yang Fei

China is an earthquake prone country.In the history,the strong earthquake disaster including Tangshan great earthquake and Wenchuan great earthquake,etc.caused immeasurable loss to Chinese people.In order to combat natural disasters and avoid the problems caused by the earthquake disaster as much as possible,the paper summarizes on the problems and countermeasures in bridge seismic design,so as to contribute a force tobridge seismic design.

bridge seismic design;earthquake damage;damping design;design method optimization

U442.55

A

1000-8136(2011)08-0076-02

楊菲，男，1980年出生，陜西西安人，2002年畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工程師。