鄭學(xué)倫

（商洛市交通設(shè)計(jì)院，陜西 商洛 726000）

橋梁工程又是交通網(wǎng)絡(luò)中的重中之重，橋梁工程抗震研究的重要性不言而喻?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，正確地解決結(jié)構(gòu)總體方案、材料使用和細(xì)部構(gòu)造，以達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的。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 橋梁的震害及特征

對國內(nèi)外震害的調(diào)查表明，在過去的地震中，有許多橋梁遭受了不同程度的破壞，其主要震害有以下幾點(diǎn)。

1.1 橋臺震害

橋臺的震害主要表現(xiàn)為橋臺與路基一起向河心滑移，導(dǎo)致樁柱式橋臺的樁柱傾斜、折斷和開裂：重力式橋臺胸墻開裂，臺體移動(dòng)、下沉和轉(zhuǎn)動(dòng)；橋頭引道沉降，翼墻損壞、開裂，施工縫錯(cuò)工、開裂以及因與主梁相撞而損壞。橋臺的滑移與傾斜會進(jìn)一步使主梁受壓破壞，甚至使主梁坍毀。

1.2 橋墩震害

橋墩震害主要表現(xiàn)為橋墩沉降、傾斜、移位，墩身開裂、剪斷，受壓緣混凝土崩潰，鋼筋裸露屈曲，橋墩與基礎(chǔ)連接處開裂、折斷等。

1.3 支座震害

在地震力的作用下，由于支座設(shè)計(jì)沒有充分考慮抗震的要求，構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足，或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素，導(dǎo)致了支座發(fā)生過大的位移和變形，從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動(dòng)支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞等，并由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力傳遞形式的變化，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)的其他部位產(chǎn)生不利的影響。

1.4 梁的震害

橋梁最嚴(yán)重的震害現(xiàn)象是主梁墜落。落梁主要是由于橋臺、橋墩傾斜、倒塌，支座破壞，梁體碰撞，相鄰墩間發(fā)生過大相對位移等引起的。

1.5 地基與基礎(chǔ)震害

地基與基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是導(dǎo)致橋梁倒塌，并在震后難以修復(fù)使用的重要原因。地基破壞主要是指因砂土液化、不均勻沉降及穩(wěn)定性不夠等因數(shù)導(dǎo)致的地層水平滑移、下沉、斷裂?；A(chǔ)的破壞與地基的破壞緊密相關(guān)，地基破壞一般都會導(dǎo)致基礎(chǔ)的破壞，主要表現(xiàn)為移位、傾斜、下沉、折斷和屈曲失穩(wěn)。

1.6 另外橋梁結(jié)構(gòu)的震害還表現(xiàn)在

結(jié)構(gòu)構(gòu)造及連接不當(dāng)所造成的破壞、橋臺臺后填土位移過大造成的橋臺沉降或斜度過大而造成墩臺承受過大的扭矩引起的破壞。

2 橋梁的抗震設(shè)計(jì)

橋梁的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)分兩階段進(jìn)行：在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì)，選擇一個(gè)較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系；在初步或技術(shù)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行抗震能力驗(yàn)算，必要時(shí)進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2.1 抗震概念設(shè)計(jì)

由于地震發(fā)生的不確定性和復(fù)雜性，再加上結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的假定與實(shí)際情況的差異，使“計(jì)算設(shè)計(jì)”很難控制結(jié)構(gòu)的抗震性能，因而不能完全依賴計(jì)算。結(jié)構(gòu)抗震性能的決定因素是良好的“概念設(shè)計(jì)”。因此，在橋梁的方案設(shè)計(jì)階段，不能僅僅根據(jù)功能要求和靜力分析就決定方案的取舍，還應(yīng)考慮橋梁的抗震性能，盡可能選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系。在抗震概念設(shè)計(jì)時(shí)，要特別重視上、下部結(jié)構(gòu)連接部位的設(shè)計(jì)，橋墩形式的選取，過渡孔處連接部位的設(shè)計(jì)以及塑性鉸預(yù)期部位的選擇。

為了保證所選擇的結(jié)構(gòu)體系在橋址處的場地條件下確實(shí)是良好的抗震體系，必須進(jìn)行簡單的分析 (動(dòng)力特性分析和地震反應(yīng)評估)，然后結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位，并進(jìn)一步分析是否能通過配筋或構(gòu)造設(shè)計(jì)，保證這些部位的抗震安全性。最后，根據(jù)分析結(jié)果綜合評判結(jié)構(gòu)體系抗震性能的優(yōu)劣，決定是否要修改設(shè)計(jì)方案。

2.2 橋梁延性抗震設(shè)計(jì)

目前延性抗震驗(yàn)算所采用的破壞準(zhǔn)則主要有：強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則、變形破壞準(zhǔn)則、能量破壞準(zhǔn)則、基于低周疲勞特征的破壞準(zhǔn)則以及用最大變形和滯回耗能來表達(dá)的雙重指標(biāo)破壞準(zhǔn)則等。Housner在對懸臂式單質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的非線性地震反應(yīng)進(jìn)行分析后，將其破壞機(jī)理總結(jié)為：在形成完全的塑性反應(yīng)之前，出現(xiàn)某種程度的塑性應(yīng)變，由此而消耗的能量自然的構(gòu)成結(jié)構(gòu)等效粘滯阻尼的一部分；當(dāng)完全進(jìn)入塑性變形后，產(chǎn)生塑性漂移，并在單方向發(fā)展直到倒塌發(fā)生。他認(rèn)為塑性反應(yīng)階段，保證結(jié)構(gòu)不破壞的條件是讓其保有足夠的耗能能力。

2.3 常用的抗震設(shè)計(jì)方法

增加結(jié)構(gòu)的柔性以延長結(jié)構(gòu)的自振周期，達(dá)到減小由于地震所產(chǎn)生的地震荷載和增加結(jié)構(gòu)的阻尼或能量耗散能力以減小由于地震所引起的結(jié)構(gòu)反應(yīng)是實(shí)用的抗震方法。當(dāng)前，比較容易實(shí)現(xiàn)和有效的抗震方法主要有以下幾點(diǎn)。

(1)采用隔震支座。采用減、隔震支座(聚四氟乙烯支座，疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座等)在梁體與墩、臺的連接處增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼以減小橋梁的地震反應(yīng)；采用減、隔震支座橋梁結(jié)構(gòu)的梁體通過支座與墩、臺相聯(lián)結(jié)，大量的試驗(yàn)和理論分析都表明其聯(lián)結(jié)方式對橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有很大的影響，在梁體與墩、臺的聯(lián)結(jié)處安裝減、隔震支座能有效地減小墩、臺所受的水平地震力。

(2)采用隔震支座和阻尼器相結(jié)合的系統(tǒng)。利用橋墩在地震作用下發(fā)生彈塑性變形耗散地震能量以達(dá)到減震的目的，利用橋墩的延性抗震。近20年來，國外在橋梁減、隔震和延性抗震方面進(jìn)行了許多研究，美國、新西蘭和日本等在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中都列入了相應(yīng)的條款。

(3)利用橋墩延性減震。利用橋墩的延性減震是當(dāng)前橋梁抗震設(shè)計(jì)中常用的方法，橋墩延性減震是將橋墩某些部位設(shè)計(jì)得具有足夠的延性，以便在強(qiáng)震作用下使這些部位形成穩(wěn)定的延性塑性鉸產(chǎn)生彈塑性變形來延長結(jié)構(gòu)周期、耗散地震能量。在進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)時(shí)，按彈性反應(yīng)譜計(jì)算塑性反應(yīng)的地震荷載需要修正，橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用了綜合影響系數(shù)來反映塑性變形的影響。

2.4 新型橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)橋梁的抗震設(shè)計(jì)，是從強(qiáng)度和延性等方面來確保橋梁具有足夠的抗震能力，使之在地震作用下不垮。然而由于人們尚難以準(zhǔn)確估計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力和地震作用，因而橋梁結(jié)構(gòu)在地震中嚴(yán)重破壞或倒塌的例子很多。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是在混凝土上包裹型鋼做成的結(jié)構(gòu)。它與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有一系列優(yōu)點(diǎn)。其承載力可以高于同樣外形的鋼筋混凝土構(gòu)件承載力一倍以上，具有較好的抗剪能力，延性比明顯高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，滯回曲線較為飽滿，耗能能力有顯著的提高，從而呈現(xiàn)出良好的抗震性能。能夠隔離、吸收和耗散地震能量，減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，使橋梁的變形限制在彈性范圍，避免由于產(chǎn)生塑性變形而造成累積損傷破壞和永久殘余變形，這大大提高了橋梁結(jié)構(gòu)的安全度；同時(shí)可以節(jié)約材料，降低造價(jià)。型鋼混凝土中的型鋼除采用軋制型鋼外，還廣泛使用焊接型鋼，常用的截面型式有H型、E型、T型等，而采用矩形及圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在型鋼混凝上結(jié)構(gòu)、螺旋配筋混凝上結(jié)構(gòu)以及鋼管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

目前地震雖然是不可控制的，但只要我們加強(qiáng)對橋梁震害及抗震機(jī)理的深入研究，在橋梁設(shè)計(jì)過程中認(rèn)真分析地震時(shí)結(jié)構(gòu)的特性和反應(yīng)，精心采取一系列科學(xué)有效的抗震設(shè)計(jì)，制定先進(jìn)的抗震設(shè)防原則，嚴(yán)格控制工程質(zhì)量，就一定能將地震損失降到最小，并確保交通運(yùn)輸線路的暢通無阻。

[1]范立礎(chǔ)，胡世德，葉愛君.大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]聶利英.[D].上海:同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系,2002.