朱 江

(四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院，四川 成都 610041)

談高烈度山區(qū)公路簡支梁橋的抗震措施

朱 江

(四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院，四川 成都 610041)

介紹了山區(qū)公路簡支體系橋梁的特點，對汶川地震中簡支體系橋梁支承震害、橋墩震害、地基震害的三種破壞形式進行了分析，從橋位、橋型選擇，搭接、限位、防落梁設計，支座、橋墩、基礎設計等方面提出了抗震措施。

簡支梁橋，地震，抗震設計，破壞

0 引言

自從四川5·12汶川大地震以來，由于地殼運動活躍，我國進入了地震頻發(fā)期。同時我國的公路建設逐漸向邊遠山區(qū)延伸，這使得公路抗震設計的重要性愈發(fā)凸顯。筆者作為一名交通行業(yè)的橋梁設計人員，結(jié)合四川山區(qū)公路橋梁設計及施工實踐，淺談高地震烈度山區(qū)公路簡支梁橋的抗震措施。

1 簡支體系橋梁的地震破壞分析

1.1 山區(qū)公路簡支體系橋梁特點

山區(qū)地質(zhì)情況復雜,滑坡、泥石流等不良地質(zhì)分布較廣。生態(tài)環(huán)境脆弱，一旦破壞后很難恢復，而公路建設極易誘發(fā)山體滑坡、塌方等地質(zhì)災害，造成水土流失、擠占河道等不良后果。如何在盡量保護環(huán)境的前提下，節(jié)約工程造價，是山區(qū)公路建設面臨的一大問題。

修建橋梁對生態(tài)環(huán)境的影響相對較小。而簡支梁橋由于其受力明確，構(gòu)造簡單，裝配式施工方便，造價較低等特點，在山區(qū)公路橋梁中占有很大的比重，其主要特點如下：1)橋跨組合較復雜。由于山區(qū)地形復雜，跨“V”形、“U”形地形的簡支梁橋常常要進行不同跨徑的組合來適應地形的變化。半幅橋、左、右分幅橋的組合是常用設計方案。2)彎橋半徑小，橋梁縱坡、橫坡大。山區(qū)公路為了克服高差和適應地形，線形指標往往較低，小半徑彎橋的板塊布置較復雜。位于長大縱坡的橋梁要特別注意結(jié)合受力特點進行支座布置。3)下部結(jié)構(gòu)復雜。為適應墩高、地形橫坡及地質(zhì)情況的變化，在一座橋里常常要采用幾種橋墩組合，如：圓墩、變截面方墩、小間距墩、獨柱墩等。

1.2 四川地形特點及地震烈度分布情況

四川省地跨青藏高原、橫斷山脈、云貴高原、秦巴山地、四川盆地等幾大地貌單元，地勢西高東低，由西北向東南傾斜。以龍門山—大涼山一線為界，東部為四川盆地及盆緣山地，西部為川西高山高原及川西南山地。除四川盆地底部的平原和丘陵外，大部分地區(qū)嶺谷高差均在500 m。

四川位于地中?！柴R拉雅地震帶上，屬于我國地震活動最活躍的地區(qū)之一。汶川和雅安大地震都是發(fā)生在川西平行于山區(qū)與盆地交界呈線狀分布的龍門山大斷裂上。四川山區(qū)的地震設防烈度為7度～9度。

1.3 汶川地震中簡支體系橋梁破壞形式的調(diào)查與分析

汶川大地震給震區(qū)的橋梁造成了不同程度的破壞，公路簡支體系橋梁的地震破壞可以分為主梁結(jié)構(gòu)破壞、伸縮縫及橋面連續(xù)破壞、支承破壞、橋墩破壞、橋臺破壞、地基震害等幾種類型。從汶川地震橋梁損壞的調(diào)查情況分析，支承震害、橋墩震害和地基震害是其中的主要破壞形式。

1.3.1 支承震害

支承震害是指上部梁體和橋墩之間的支承連接件的震害。由于地震動力的影響，造成支座、擋塊的破壞失效(見圖1)，最終使主梁移動甚至落梁(見圖2)。破壞程度與支座類型構(gòu)造和主梁的擱置長度有關。

1.3.2 橋墩震害

橋墩震害是指在地震力的作用下，橋墩發(fā)生壓潰、傾斜、墩柱環(huán)向開裂、系梁開裂的破壞現(xiàn)象，是一種嚴重的結(jié)構(gòu)性震害。從受力分析上可以分為彎曲型、剪切型及剪彎型三種形式(見圖3，圖4)。

通過對汶川地震橋墩破壞的調(diào)查分析表明，簡支體系橋梁橋墩墩底截面及與蓋梁、系梁相交處，是橋墩震害損傷發(fā)生的主要部位。

1.3.3 地基震害

地基震害是指在地震中由于橋址處的地表斷裂、砂土液化從而導致的橋墩傾斜沉降、主梁偏移脫落的破壞現(xiàn)象。

地基震害是一種非結(jié)構(gòu)性震害，在橋梁構(gòu)件損傷較小的情況下，也容易造成全橋的整體倒塌。地基震害的發(fā)生與地震烈度、地質(zhì)及地下水文情況密切相關，一般地震烈度8度以上的斷層、滑坡地段及地下水位較高的砂質(zhì)或輕亞粘土地基(砂土液化)容易發(fā)生地基震害。

2 簡支體系橋梁的抗震措施

目前四川高烈度山區(qū)的簡支梁橋的抗震措施，主要從橋位地質(zhì)、支座系統(tǒng)、搭接、限位、防落梁構(gòu)造及橋梁構(gòu)件抗震設防等幾方面綜合考慮。

2.1 橋位、橋型的選擇

橋位應盡量避開地質(zhì)斷裂帶、易發(fā)生砂土液化的砂粉土地段、易產(chǎn)生地震次生災害的大型泥石流和滑坡地段。

跨越斷裂帶的簡支梁橋，由于橋墩高度的不同使各橋墩剛度相差較大，剛度大的橋墩將分配更多的水平地震力因而成為橋梁整體結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)，所以應該使同一聯(lián)內(nèi)各橋墩的高度盡量接近。

2.2 搭接、限位及防落梁的設計

2.2.1 搭接長度

增加墩梁的支承長度能有效的防止上部與下部結(jié)構(gòu)之間由于過大的相對位移而造成的落梁破壞。

JTG/T B021-01-2008公路橋梁抗震設計細則中對擱置長度的規(guī)定為：簡支梁梁端至臺帽或蓋梁邊緣應有一定的距離，最小值a(cm)按下式計算：

a≥70+0.5L。

其中，L為梁的計算跨徑，m。

對于斜橋，a≥50L[sinθ-sin(θ-α)],其中，θ為斜交角度，(°)；α為極限脫落轉(zhuǎn)角，通常取5°。

通過對汶川地震中簡支梁橋造成落梁情況的統(tǒng)計分析表明，僅靠經(jīng)驗公式不能滿足橋梁在地震中的位移要求，還應綜合考慮設防等級、場地類型、橋墩高度、線形曲率半徑等各種因素確定搭接長度。如川西某8級設防的高速公路項目，30 m跨徑簡支T梁橋，按經(jīng)驗公式計算a≥85 cm，考慮到是8級地震烈度，結(jié)合地質(zhì)、地形條件，設計中蓋梁的搭接長度取值為100 cm。

2.2.2 限位及防落梁設計

限位構(gòu)造設計為將慣性力傳遞至下部結(jié)構(gòu)的元件，其設計的基本要求如下：1)限位構(gòu)造的設計移動間隙要大于支座在小震作用下的變形量，使其在正常運營及小震時不發(fā)揮作用；2)在較大地震中，支座出現(xiàn)較大位移且未失效時，限位構(gòu)造發(fā)揮限制位移、抗剪的作用，并且要求其抗剪強度低于橋墩、基礎的抗剪強度；3)限位構(gòu)造的安裝應不妨礙防落梁裝置的安裝和功能實現(xiàn)。

通過對汶川地震部分簡支梁橋震害情況分析表明，擋塊的強弱直接影響到橋墩在地震作用下的橫橋向內(nèi)力，剛度過大，則橋墩橫向內(nèi)力增大，而剛度太弱則容易發(fā)生橫向落梁。理想的狀態(tài)是擋塊出現(xiàn)損壞的同時，墩柱出現(xiàn)開裂或塑性工作階段但不屈服，且不出現(xiàn)橫向落梁。因此擋塊的剛度應在保證不落梁的前提下，盡量減小橋墩內(nèi)力。

在設計中，通常采用雙層擋塊(內(nèi)擋塊較弱，外擋塊較強)，縱向限位擋塊及縱向緩沖防落梁的綜合抗震措施。

2.3 支座抗震設計

目前四川地區(qū)的簡支梁橋普遍采用板式橡膠支座。在汶川地震中，由于橡膠支座的震損，使傳到橋墩及樁基上的地震力大大減少，通過配合雙層擋塊限位及防落梁的設計，使支座及擋塊的損傷起到分級耗能的作用，從而減少橋梁下部結(jié)構(gòu)的損傷。能有效地提高橋梁的整體抗震效果。

2.3.1 支座的剪切變形和抗滑穩(wěn)定性

地震作用下，傳統(tǒng)板式橡膠支座的剪切應變表達式：

γ=Dx0/∑t。

其中，Dx0為對應水準地震作用引起的支座水平位移效應和永久作用效應組合后橡膠支座的水平位移,m;t為橡膠層總厚度,m。

板式橡膠支座在地震作用下的抗滑穩(wěn)定性校核需滿足：

μdRb≥Ehzb。

其中，Ehzb為對應水準地震作用效應和永久作用效應組合后橡膠支座的水平地震力；μdRb為支座抗滑能力；μd為支座的動摩阻系數(shù)，橡膠支座與混凝土表面的動摩阻系數(shù)采用0.15；Rb為上部結(jié)構(gòu)重力在支座上產(chǎn)生的反力。

2.3.2 支座的減隔震技術

隔震、減震技術是通過隔震、減震裝置將結(jié)構(gòu)最大限度的與地震時的地面運動或支座運動分隔開，從而大幅減少傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震作用。表現(xiàn)效果為延長周期、增加阻尼和滯回耗能。普通板式橡膠支座也可減少下部結(jié)構(gòu)所受地震力，具有一定的隔震效果，但是其無法限制位移，耗能效果也不明顯。目前應用的隔震支座主要有鉛芯橡膠隔震支座、高阻尼橡膠隔震支座和滑動摩擦隔震支座。四川高地震烈度地區(qū)的簡支梁橋也逐步開始使用鉛芯橡膠隔震支座。

2.4 橋墩的抗震設計

2.4.1 橋墩抗震設計的基本原則

1)高烈度地區(qū)的中小跨徑橋梁不宜采用獨柱墩，雙柱墩之間應設置系梁，地面要設置地系梁，墩身中間應根據(jù)橋墩高度設置中系梁，一般間隔10 m左右設置一道中系梁。系梁剛度不宜過大，避免“強梁弱柱”效應的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)的第一塑性鉸出現(xiàn)在墩柱之上，而不是系梁上，致使結(jié)構(gòu)失效。2)在強烈地震作用下,如果橋墩發(fā)生剪切、彎曲、剪彎等脆性破壞，出現(xiàn)縱筋拉斷、箍筋拉斷和核心混凝土崩塌的現(xiàn)象，可能導致結(jié)構(gòu)突然倒塌。因此，需保證橋墩具有足夠的彎曲延性和承載力，實現(xiàn)彎曲延性破壞模式。

2.4.2 橋墩的配筋

橋墩的延性是通過橋墩塑性鉸區(qū)截面的塑性轉(zhuǎn)動能力獲得的。為保證橋墩的塑性轉(zhuǎn)動能力，通常在塑性鉸區(qū)配置適當數(shù)量的約束箍筋，在箍筋的約束作用下，使塑性鉸區(qū)范圍的混凝土處于三向壓應力狀態(tài)，從而提高混凝土的極限壓應變，使得橋墩潛在塑性鉸截面具有一定的塑性轉(zhuǎn)動能力。

規(guī)范中規(guī)定橋墩塑性鉸區(qū)的長度為max(bmax,1/6hc,500 mm)，其中，bmax為橫截面最大尺寸；hc為橋墩凈高。

橋墩塑性鉸區(qū)配筋的一般規(guī)定如下：1)塑性鉸加密區(qū)域配置的箍筋應延續(xù)到蓋梁和承臺內(nèi)，延伸到蓋梁或承臺的距離不宜小于墩柱長邊尺寸的1/2，并不小于50 cm。2)墩柱的縱筋應盡可能地延伸至蓋梁和承臺的另一側(cè)面，縱筋的錨固和搭接長度應在現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》要求的基礎上增加10d，d為縱筋的直徑，不應在塑性鉸區(qū)域內(nèi)進行縱筋搭接。3)位于8度或者8度以上地震區(qū)的橋梁，橋墩箍筋加密區(qū)段的螺旋箍筋間距不大于10 cm，直徑不小于8 mm；對矩形箍筋，縱橋向和橫橋向的體積配筋率均不低于0.3%。螺旋箍筋接頭必須焊接，矩形箍筋應采用135°彎鉤，并伸入核心混凝土中。

2.5 基礎的抗震設計

由于基礎損傷不易檢查和修復，因此，在地震作用下，不希望在基礎產(chǎn)生較大的損傷，一般要求：

1)基礎應按能力保護原則進行設計，設計彎矩、設計剪力應為墩柱極限彎矩(考慮超強系數(shù))對應的彎矩、剪力值。

2)采用樁柱式基礎時，為了保證樁基保持彈性，確保塑性鉸出現(xiàn)在橋墩，樁身直徑應大于墩柱，且樁身鋼筋籠直徑也隨之增加。

3 結(jié)語

本文通過對四川汶川大地震中橋梁震害的調(diào)查分析，結(jié)合橋梁抗震設計中的一些具體規(guī)定，從橋位選擇、支座、限位防落梁、橋墩、基礎等幾個方面對在高地震烈度山區(qū)簡支體系橋梁的抗震設計措施進行了簡要的闡述。隨著抗震研究的重要性愈發(fā)凸顯，橋梁的抗震理論和實踐都勢必會得到進一步的發(fā)展完善。

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On anti-seismic measures for simply-supportedbeam bridge of high intensity mountainous roads

ZHU Jiang

(RoadPlanning,SurveyandDesignInstitute,SichuanCommunicationDepartment,Chengdu610041,China)

The paper introduces the features for the simply-supported bridges of mountainous roads, analyzes the three damage forms in Wenchuan earthquake, including the seismic hazards at bridge supports, bridge piers, and foundations of simply-supported systems, and points out some anti-seismic measures from the bridge location, selection for bridge types, lap joint, limit, unseating design, support, bridge pier, and foundation design.

simply-supported bridge, earthquake, anti-seismic design, damage

2014-07-17

朱 江(1981- ),男,工程師

1009-6825(2014)27-0171-03

U448.217

A