淺談橋梁抗震設(shè)計(jì)
2015-06-05
1.工程概述
滬昆高速公路貴州境貴陽(yáng)至清鎮(zhèn)段，路線起自貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)金華鎮(zhèn)，接在建貴陽(yáng)繞城高速公路西南段，經(jīng)何關(guān)、蒿芝塘、回龍寺、朱關(guān)，終于清鎮(zhèn)市廟兒山，接已建清鎮(zhèn)至鎮(zhèn)寧高速公路，全長(zhǎng)13.236059km（路線長(zhǎng)度按右幅計(jì)），其中：起點(diǎn)至朱關(guān)段按雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度120km/h，路基寬度34.5m；朱關(guān)至終點(diǎn)段按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度120km/h，路基寬度28m。其中主線橋4座；互通式立交3處，有橋梁10座；分離式立交11座；人行天橋11座。本項(xiàng)目的橋梁均屬于單跨跨徑不超過150m的高速公路上的橋梁，抗震設(shè)防類別應(yīng)為B類。項(xiàng)目所在地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相應(yīng)的抗震設(shè)防烈度為6度。按《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）規(guī)定，橋梁抗震設(shè)防措施等級(jí)為7級(jí)。
根據(jù)國(guó)家地震局頒布的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2001），場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s，地震動(dòng)峰值加速度值為0.05 g，場(chǎng)區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度。在充分考慮地形、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、規(guī)模、重要性以及震害經(jīng)驗(yàn)等，我們選線時(shí)盡量避開發(fā)震斷層，把橋位定在平坦、寬闊的溝谷上。從《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）；的一般規(guī)定中可以得知，簡(jiǎn)支梁的上部構(gòu)造可不進(jìn)行抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。
所以為了工程的安全，特大橋、大橋上部結(jié)構(gòu)采用一般裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)T梁或箱梁，多孔或單孔為一聯(lián)，橋墩伸縮縫處伸縮裝置采用MZL-160/80/40型；橋臺(tái)處設(shè)C-80/40型伸縮縫，其余橋墩上設(shè)橋面連續(xù)；支座采用球冠圓板橡膠支座；下部結(jié)構(gòu)一般為柱式墩，樁基礎(chǔ)，也有采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的。其余橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用13~20 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板；下部結(jié)構(gòu)為樁柱式。
2.橋梁抗震設(shè)計(jì)
2.1抗震概念設(shè)計(jì)
對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)來說，“概念設(shè)計(jì)”比“計(jì)算設(shè)計(jì)”更為重要。由于地震動(dòng)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)”很難有效地控制結(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。
在進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì)時(shí)，特別要重視上、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。
為了保證所選定的結(jié)構(gòu)體系在橋址的場(chǎng)地條件下確實(shí)是良好的抗震體系，須進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析(動(dòng)力特性分析和地震反應(yīng)估算)，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(píng)判抗震結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)劣，決定是否要修改設(shè)計(jì)方案。
2.2延性和位移設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，即使考慮到延性和位移，也是通過強(qiáng)度指標(biāo)間接地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到了位移在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的重要性，很多研究者和工程師建議在抗震設(shè)計(jì)中直接使用位移為設(shè)計(jì)參數(shù)，這樣就將形成多參數(shù)抗震設(shè)計(jì)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(jìn)行。一些建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指南和準(zhǔn)則已經(jīng)引入了位移設(shè)計(jì)的概念和方法。
直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)根據(jù)一定水準(zhǔn)地震作用F預(yù)期的位移計(jì)算地震作用，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以使構(gòu)件達(dá)到預(yù)期的變形，結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的位移。
該方法采用結(jié)構(gòu)位移作為結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)假定位移是結(jié)構(gòu)杭震性能的控制因素，通過設(shè)計(jì)位移譜得出在此位移時(shí)的結(jié)構(gòu)有效周期，求出此時(shí)結(jié)構(gòu)的基底剪力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并且進(jìn)行具體配筋設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)后用應(yīng)力驗(yàn)算，不足的時(shí)候用增大剛度而不是強(qiáng)度的方法來改進(jìn)，以位移目標(biāo)為基準(zhǔn)來配置結(jié)構(gòu)構(gòu)件。該法考慮了位移在抗震性能中的重要地位，可以在設(shè)計(jì)初始就明確設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)性能水平，并且使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)性能正好達(dá)到目標(biāo)性能水平。
2.3多道抗震設(shè)計(jì)
所謂多道抗震設(shè)防，是指在一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系中，一部分延性好的構(gòu)件在地震作用下，首先達(dá)到屈服，充分發(fā)揮其吸收和耗散地震能量的作用，即負(fù)擔(dān)起第一道抗震防線的作用，其他構(gòu)件則在第一道抗震設(shè)防屈服后才依次屈服，從而形成第二道、第三道或更多道抗震防線，這樣的結(jié)構(gòu)體系對(duì)保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性是非常有效的。
2.4結(jié)構(gòu)杭震構(gòu)造設(shè)計(jì)
抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)包括抗震構(gòu)造及構(gòu)造規(guī)定，如梁端限位措施及支承面最小寬度等。抗震構(gòu)造物的內(nèi)力在地震力分析中也許很難精確的分析，但卻能起到很好的效果，防止落梁等極端震害的發(fā)生。
3.橋梁的抗震措施
3.1橋梁選址
橋址應(yīng)選擇地質(zhì)好、承載力高、地勢(shì)平坦的地方。但實(shí)際情況中有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)。一是高速公路的橋梁橋位取決于路線的走向和位置，根據(jù)節(jié)約用地的原則，路線盡量少占良田，故橋位多在山坡、河谷走廊、河道、峽谷等處。二是路線穿越山區(qū)、丘陵地帶或軟土地區(qū)時(shí)，地形復(fù)雜、或地質(zhì)不良。
3.2基礎(chǔ)處理
對(duì)于不良地質(zhì)，可以根據(jù)不同的具體地質(zhì)情況采用不同的方法進(jìn)行處理。對(duì)于巖層較淺的地方，采用較大擴(kuò)基或固定在基巖上?；蛘咴跀U(kuò)基處砌筑厚度為1.5-2m的圍裙。對(duì)于地基軟硬不均，或砂層較厚地下水位較高地區(qū)要特別注意沙土液化，噴沙冒水現(xiàn)象的發(fā)生，可適當(dāng)增加橋長(zhǎng)，合理布孔，使橋墩、橋臺(tái)避開地震時(shí)可能發(fā)生滑動(dòng)的岸坡或地形突變的不穩(wěn)定地段。或采用深樁、排樁穿過液化層，并采用系梁、承臺(tái)等加強(qiáng)聯(lián)結(jié)，或減輕結(jié)構(gòu)自重，在非沖測(cè)線下一米處，設(shè)置圍裙或條形基礎(chǔ)，加大基礎(chǔ)基底面積、減少基底偏心，并適當(dāng)增加理置深度。亦可在臺(tái)前或墩兩側(cè)設(shè)斜撐。并在考慮采用時(shí)，將水平地震力和豎向地震力加以組合驗(yàn)算。換土或采用砂樁也是一種常用的方法。
3.3橋墩處理
對(duì)于震區(qū)的橋墩，最好采用等截面，不宜做錐形截面墩，因?yàn)樽兘孛娴臉蚨盏目v波應(yīng)力較大，而等截面橋墩的縱波應(yīng)力相對(duì)較小，這樣可以減少波應(yīng)力。
在橋墩較粗能夠承受較大拉力時(shí)(一般用于大橋)，為了防止橋面在地震時(shí)上拋，落下砸壞橋墩(橋臺(tái))，一般用高強(qiáng)螺栓或預(yù)理鋼筋將橋梁及橋墩(臺(tái))聯(lián)結(jié)起來。
對(duì)于中小橋，一般采用簡(jiǎn)支板(或預(yù)應(yīng)力板)。它允許橋面與橋墩能夠自由分開。地震時(shí)，為了防止橋面自由上拋時(shí)橋墩承受過大的拉力，同時(shí)，為了防止橋面落下時(shí)沖壞橋墩，在支座處安放彈簧或橡膠支座等緩沖的東西。
3.4簡(jiǎn)支梁梁端至墩、臺(tái)帽或蓋梁的邊緣的距離應(yīng)不小于梁跨徑的百分之一與50cm的和。吊梁與懸臂梁之間的搭接長(zhǎng)度不小于60cm。橋臺(tái)胸墻應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)，并在梁與梁之間和梁與橋臺(tái)胸墻之間加裝橡膠墊或其它彈性襯墊，以緩和沖擊作用和限制梁的縱向位移。有的也可以采用防震錨栓。并且在橋墩兩側(cè)設(shè)置擋塊，防止橋梁橫向位移過大及落梁現(xiàn)象。
對(duì)于陡峻的高山、河岸，地震時(shí)常發(fā)生滑坡現(xiàn)象。為了保護(hù)橋梁，要及早排除這些隱患，采用護(hù)坡、排水等措施加以防護(hù)。
4.結(jié)語
基于性能的抗震設(shè)計(jì)還處于起步階段,還有很多工作要做,工程人員應(yīng)該具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光,看到基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)未來防震減災(zāi)工作的貢獻(xiàn),努力克服推廣基于性能抗震設(shè)計(jì)方法時(shí)面臨的困難,同時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效應(yīng)性同樣是有益的。
