探討橋梁工程抗震設(shè)計問題
2015-05-27
前言
地震災(zāi)害瞬間造成山崩地裂，房倒屋塌，對人們的生產(chǎn)生活造成極大的破壞和影響，甚至威脅人民群眾的生命財產(chǎn)安全，是世界性的自然災(zāi)害之一。我國處于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯部位，地震頻發(fā)，是世界上遭受地震災(zāi)害最嚴重的國家之一。如2013年4月，四川雅安大地震，震中蘆山縣龍門鄉(xiāng)99%以上房屋垮塌，停水停電，衛(wèi)生院、住院部停止工作。山西省地處汾渭地震帶上，歷史上關(guān)于大型的地震災(zāi)害也有記載，防震減災(zāi)同樣不容忽視。
地震對道路橋梁的破壞相當大。汶川地震后，由于路堤破壞，道路毀損，造成交通中斷，對災(zāi)害救援工作造成了極大的困難，本文通過對汶川震后公路橋梁的震害分析，并說明了公路橋梁抗震設(shè)計的建議。
1、橋梁震害及分析
在汶川地震中，橋梁震害主要有以下幾種類型：
1）橋梁上部結(jié)構(gòu)震害，在地震中，橋梁上部結(jié)構(gòu)的震害主要有以下幾種類型：
a.自身震害，主要是橋梁自身的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生的局部屈曲破壞。
b.移位震害（見圖1），是一種破壞性地震中極為常見的震害形式，多發(fā)生在伸縮縫設(shè)置的位置，一般表現(xiàn)為橋梁的上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)縱（橫）向移位或扭轉(zhuǎn)移位。
c.碰撞震害，包括相鄰跨上部結(jié)構(gòu)的碰撞、上部結(jié)構(gòu)與橋臺的碰撞以及鄰梁間的碰撞等。
2）橋梁支座震害
在橋梁結(jié)構(gòu)中，橋梁支座本身就是抗震性能比較薄弱的一個環(huán)節(jié)。根據(jù)國內(nèi)外發(fā)生的破壞性地震橋梁震害統(tǒng)計表明，支座的破壞比較普遍，主要表現(xiàn)為：支座發(fā)生位移、錨固螺栓拔出、剪斷、脫落等。其主要原因有：支座設(shè)計中，沒有充分考慮到抗震的性能要求；在施工中，支座連接與支擋等措施不足；使用的支座類型選擇或是支座材料本身的缺陷等。
3）橋梁下部結(jié)構(gòu)震害
在地震中，橋梁下部結(jié)構(gòu)的震害主要有以下幾種類型：
a.墩柱的彎曲破壞，是一種常見的橋梁震害形式，主要表現(xiàn)為墩柱混凝土開裂、剝落壓潰、鋼筋裸露和彎曲等，同時產(chǎn)生很大的塑性變形。其主要原因是在墩柱的施工中，由于約束箍筋配置不足、縱向鋼筋的搭接或焊接不牢等導致的延性能力不足而產(chǎn)生的。
b.框架墩的震害，包括剪切強度不足導致的剪切破壞、彎曲破壞以及鋼筋錨固長度不足導致的破壞，主要表現(xiàn)為蓋梁破壞、墩柱破壞以及節(jié)點破壞等。節(jié)點破壞主要表現(xiàn)為剪切破壞。
c.橋臺震害，是一種常見的橋梁震害形式，包括地基喪失承載力導致的橋臺滑移、臺身與上部結(jié)構(gòu)的碰撞破壞和橋臺傾斜等。
4）基礎(chǔ)震害
在國內(nèi)外的許多地震中，橋梁基礎(chǔ)震害是一種比較常見的震害形式，包括地基失效、樁基剪切彎曲破壞、樁基設(shè)計不當所引起的震害等。
據(jù)統(tǒng)計，在汶川1657座公路橋梁中，1.6%的橋梁完全損毀，6.6%的橋梁嚴重破壞，9.0%的橋梁中等破壞，26.5%的橋梁輕微破壞，56.3%的橋梁未出現(xiàn)明顯震害。在汶川地震后，震區(qū)的道路橋梁遭到了全面破壞，極大的影響了救援的展開，給國家、社會和人民的生命財產(chǎn)造成了極大的損失?？梢钥闯?，公路鐵路梁的抗震抗災(zāi)能力，對人民的生命財產(chǎn)安全有著直接的影響。
如何降低和減少橋梁震害，是我國公路建設(shè)者需要面對的一個難題。2008年8月，在鐵道學會召開的“地震災(zāi)害對鐵路的影響及對策學術(shù)研討會”上，與會的專家普遍認為：加強“減隔震技術(shù)”的應(yīng)用，對于降低橋梁震害具有重要意義，應(yīng)大力推廣使用“減隔震”的設(shè)計理念，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“抗震”設(shè)計理念。
3、增加橋梁抗震結(jié)構(gòu)的其他設(shè)計
橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計就是在橋梁強度、剛度、穩(wěn)定性以及延性和吸收耗能等方面有一種最佳的選擇，實現(xiàn)橋梁“小震不壞、中震可修、大震不倒”的目的，應(yīng)結(jié)合橋梁的抗震類別、地質(zhì)條件、土壤條件等因素，通過技術(shù)、經(jīng)濟和使用條件綜合比較后確定。還可以通過增加橋墩箍筋設(shè)置、增加橋臺強度、橋墩強度、橋墩的延性、增設(shè)連梁裝置等多種途徑來提高橋梁的抗震結(jié)構(gòu)。
4、對我國橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的建議
我國現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》在設(shè)計思想、設(shè)計方法、構(gòu)造措施和條文可執(zhí)行性等方面顯得落后許多。近十幾年發(fā)生在世界各地的大地震給橋梁結(jié)構(gòu)造成了重大破壞，同時也促進了橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的修訂工作。規(guī)范的修訂主要參考了近十幾年來的地震震害經(jīng)驗，同時借鑒了結(jié)構(gòu)抗震研究領(lǐng)域的最新研究成果。新規(guī)范的發(fā)展動向有以下幾個方面：
?。?）抗震設(shè)防標準。這是橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的最基本問題。過去的幾十年的時間里，研究者和工程師都提出分級抗震設(shè)防的原則：即小震不壞；中震發(fā)生有限的結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞；大震發(fā)生嚴重的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，但不產(chǎn)生嚴重的人員傷亡；而在可能襲擊工程場地最嚴重的地震作用下，結(jié)構(gòu)不倒塌。這些基本的結(jié)構(gòu)性能目標今天被大多數(shù)的設(shè)計規(guī)程所采用。但傳統(tǒng)的作法是，只針對單一的地震作用水平進行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。現(xiàn)在的問題是針對每一個目標都結(jié)出相應(yīng)的具體設(shè)計程序。這樣一來，就需要對目前實際上還是單一水準強度抗震設(shè)計原則進行修訂，采用多水準、多設(shè)防目標和多階段的抗震設(shè)計原則。
（2）構(gòu)造細節(jié)。橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的許多問題目前還不能完全通過定量化方法加以解決。因此根據(jù)震害經(jīng)驗、概念設(shè)計和定性研究的結(jié)果提出構(gòu)造細節(jié)方面的要求，對保證橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全十分重要。美、歐等國家的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范和準則都已十分重視這一點。我國現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》在這方面明顯不足，新編的《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》將特別注意這方面的問題。
?。?）延性和位移設(shè)計。傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計采用強度設(shè)計方法，即使考慮到延性和位移，也是通過強度指標間接地實現(xiàn)?，F(xiàn)在人們越來越認識到了位移在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的重要性，很多研究者和工程師建議在抗震設(shè)計中直接使用位移為設(shè)計參數(shù)，這樣就將形成多參數(shù)抗震設(shè)計方法：在這方面，各種非彈性反應(yīng)譜的研究和應(yīng)用工作一直在進行。一些建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計指南和準則已經(jīng)引入了位移設(shè)計的概念和方法。
3、結(jié)語
目前地震雖然是不可控制的，但只要我們加強對橋梁震害及抗震機理的深入研究，在橋梁設(shè)計過程中認真分析地震時結(jié)構(gòu)的特征和反應(yīng)，精心采取一系列科學有效的抗震設(shè)計，制定先進的抗震設(shè)防原則，嚴格控制工程質(zhì)量，就一定能將地震損失降到最小，并確保交通運輸線路的暢通無限。
