市政橋梁抗震設(shè)計(jì)初探
2016-09-12
前言
我國是世界上的地震多發(fā)地帶。2008年5月12日14時(shí)28分04秒，四川汶川發(fā)生了中華人民共和國自建國以來影響最大的一次地震，其所造成的損失巨大，位于震中的縣城附近的道路基礎(chǔ)設(shè)施受到嚴(yán)重破壞，市政橋梁破壞尤為嚴(yán)重，其市政橋梁結(jié)構(gòu)主要為簡支梁橋（含先簡支后橋面連續(xù)）、連續(xù)梁橋和拱橋。本文作者綜合現(xiàn)場情況，主要對簡支梁橋和連續(xù)梁橋震害類型及抗震設(shè)計(jì)做簡要分析。
1. 落梁破壞
1.1市政橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
市政橋梁采用板式橡膠支座，梁體直接擱置在支座上。在汶川地震中，百花大橋第5聯(lián)即5m～20m連續(xù)梁整體傾覆、落梁，完全破壞。
1.2震害原因
?。?）支承連接部件失效，固定支座強(qiáng)度不足，活動(dòng)支座位移量不夠，橡膠支座梁底與支座底發(fā)生滑動(dòng)，在地震力作用下支座破壞，致使梁體發(fā)生位移導(dǎo)致落梁。
?。?）墩臺支承寬度不能滿足防震要求，防落梁措施設(shè)計(jì)不合理，在地震力作用下，梁、墩臺間出現(xiàn)較大相對位移，導(dǎo)致落梁。
?。?）伸縮縫和擋塊強(qiáng)度不足，在地震力作用下，伸縮縫遭到碰撞破壞和擠壓破壞，擋塊剪切也遭到破壞，使其起不到應(yīng)有的作用，導(dǎo)致落梁。
1.3抗震設(shè)計(jì)有效措施
?。?）采用板式橡膠支座的市政橋梁，如果蓋梁擋塊在地震中遭破壞，其可以有效減少下部結(jié)構(gòu)所受地震力，但對于這種類型的市政橋梁，抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是怎樣采用合理的梁體限位裝置，設(shè)置足夠的梁墩合理搭接長度，使梁體位移控制在不發(fā)生落梁的范圍內(nèi)，同時(shí)又不增加墩柱地震力。
?。?）在高烈度地震區(qū)，盡可能地采用整體性和規(guī)則性較好的市政橋梁結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、質(zhì)量和剛度力求均勻、對稱、規(guī)則，避免突變的出現(xiàn)；從幾何線性上看，盡量選用直線市政橋梁。
?。?）選擇合理的連接形式對市政橋梁抗震性能十分重要。對于高墩市政橋梁，建議采用上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)有選擇性的剛性連接（固結(jié)方式）；對于矮墩市政橋梁，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)連接建議采用支座連接方式，并合理設(shè)置梁墩的搭接長度。
2. 墩柱的破壞
2.1破壞形式
此類破壞多發(fā)生在墩柱塑性鉸處、墩柱與蓋梁連接處及墩柱與系梁連接處，在地震力作用下橋墩縱向受力筋被剪斷，直接導(dǎo)致市政橋梁傾覆。
2.2震害原因
?。?）墩柱延性不足（抗彎破壞），橫向約束箍筋配置不足；構(gòu)造缺陷：橫向約束箍筋間距過大，搭接失效縱筋過早切斷，錨固長度不足，箍筋端部沒有彎鉤等。
?。?）抗剪強(qiáng)度不足（剪切破壞），即橫向箍筋配置不足。
2.3延性抗震設(shè)計(jì)
?。?）結(jié)構(gòu)延性定義，即結(jié)構(gòu)從屈服到破壞的后期變形能力，是結(jié)構(gòu)能量耗散能力的主要度量。
?。?）延性抗震設(shè)計(jì)的分類：上部、基礎(chǔ)彈性，墩柱延性設(shè)計(jì)；墩柱、基礎(chǔ)彈性，上部結(jié)構(gòu)延性（鋼橋）；墩柱、基礎(chǔ)、下部結(jié)構(gòu)彈性，支座彈縮性―減隔震設(shè)計(jì)。
?。?）墩柱結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。墩柱潛在塑性鉸區(qū)域內(nèi)加密箍筋的配置：其一，加密區(qū)的長度為彎曲方向截面寬度的1倍，超過最大彎矩80％的范圍；其二，加密箍筋的最大間距為10cm；其三，箍筋的直徑不應(yīng)小于10mm；其四，螺旋式箍筋的接頭必須采用對接，矩形箍筋應(yīng)有135°的彎鉤，并深入核心混凝土之內(nèi)6cm以上；其五，加密區(qū)箍筋肢距為25cm；其六，墩柱的縱筋應(yīng)盡可能延伸至蓋梁或承臺的另一側(cè)面，塑性鉸加密區(qū)域的箍筋應(yīng)該延續(xù)到蓋梁和承臺內(nèi)，延伸到蓋梁和承臺的距離不應(yīng)小于墩柱長邊尺寸的1/2，并且不小于50cm。
3. 基礎(chǔ)和樁身破壞
3.1破壞形式及震害原因
橋位通過地震斷裂破碎帶，地震力作用下基礎(chǔ)出現(xiàn)移位、沉降；橋位位于液化砂土地質(zhì)中，基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降。
3.2抗震設(shè)計(jì)有效措施
基礎(chǔ)應(yīng)盡可能建在巖石或堅(jiān)硬沖積土上，軟土和砂土易于放大結(jié)構(gòu)的位移影響，且軟土有震陷、飽和砂土有液化等地質(zhì)地震災(zāi)害。
4. 減隔震設(shè)計(jì)
（1）地震力的作用是巨大的，我們在市政橋梁抗震設(shè)計(jì)中一般會采用兩種途徑去減輕市政橋梁震害：傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)和減隔震設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)是增大構(gòu)件斷面及配筋，致使結(jié)構(gòu)剛度增大，達(dá)到減輕震害的目的；而減隔震設(shè)計(jì)是采用柔性支承延長結(jié)構(gòu)周期，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)；采用阻尼器裝置耗散能量，限制結(jié)構(gòu)位移，保證結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下具有足夠的剛度。
（2）減隔震技術(shù)隨著科技的發(fā)展以及新材料的應(yīng)用，越來越多地被應(yīng)用在市政橋梁抗震設(shè)計(jì)中，但它只適用于以下條件：上部結(jié)構(gòu)連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)剛度較大，結(jié)構(gòu)基本振動(dòng)周期比較短；市政橋梁下部結(jié)構(gòu)高度變化不規(guī)則，剛度分配不均勻；場地條件比較好，預(yù)期地面運(yùn)動(dòng)特性具有較高的卓越頻率。在此注意，支座中出現(xiàn)負(fù)反力的情況下則不宜采用減隔震設(shè)計(jì)。
?。?）減隔震裝置經(jīng)常采用如下幾種：整體型減隔震裝置包括鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、摩擦擺隔震支座；分離型減隔震裝置包括橡膠支座＋金屬阻尼器、橡膠支座＋黏性材料阻尼器、橡膠支座＋摩擦阻尼器。
5. 市政橋梁抗震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
?。?）盡量將橋軸線設(shè)計(jì)成直線，曲線橋使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)復(fù)雜化；盡可能使橋臺和橋墩與軸線垂直，斜交會引起轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)而增大位移。
?。?）沿縱、橫橋向的橋墩剛度盡可能一致，如剛度變化太大，地震時(shí)剛性大的橋墩易產(chǎn)生破壞。
?。?）塑性鉸不應(yīng)設(shè)計(jì)在蓋梁、主梁、水中或地下的樁頂處，設(shè)計(jì)在墩柱上易于觀察與修復(fù)。
?。?）材料和結(jié)構(gòu)形式的選擇應(yīng)遵循如下的原則：質(zhì)輕高強(qiáng)，變形能力大，強(qiáng)度和剛度衰減小，結(jié)構(gòu)整體性好。單從材料的抗震性能優(yōu)劣來劃分依次為：鋼結(jié)構(gòu)，鋼砼組合結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋砼，預(yù)制鋼筋砼，預(yù)應(yīng)力砼，砌體。
?。?）設(shè)置多道抗震防線，盡可能用超靜定結(jié)構(gòu)，少采用靜定結(jié)構(gòu)。
?。?）防止脆性與失穩(wěn)破壞，增加結(jié)構(gòu)延性。常見的脆性破壞包括磚、石、素砼的開裂和鋼筋砼的剪切破壞；常見的失穩(wěn)破壞包括斜撐和柱的失穩(wěn)以及柱中縱向鋼筋在箍筋不足時(shí)的壓屈。
6. 市政橋梁抗震設(shè)計(jì)的建議
第一，由于地震的不確定性，導(dǎo)致市政橋梁結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的失真。地震運(yùn)動(dòng)是由震源―傳播介質(zhì)體―場地地質(zhì)體等一系列的變化因素綜合形成，它是極為復(fù)雜的和不確定的模糊事件。市政橋梁結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算嚴(yán)格來說是近似仿真計(jì)算，與實(shí)際的震害有一定的差距?？拐鹩?jì)算與抗震概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)體系的選擇、抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)相比較，后三者更顯重要。
第二，應(yīng)盡量采用連續(xù)的橋跨代替簡支梁，進(jìn)而減少伸縮縫的數(shù)量，降低在此落梁的可能性，同時(shí)也提高了橋上行車的舒適性。
第三，對常規(guī)的簡支市政橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)橋面的連續(xù)構(gòu)造以及提供足夠的寬度，以防止主梁發(fā)生位移落梁；另外還應(yīng)適當(dāng)?shù)丶訉挾张_頂蓋梁及支座的寬度，并增設(shè)防止位移的隔擋裝置。
第四，市政橋梁位置應(yīng)選在良好和穩(wěn)定的河段，如果必須在穩(wěn)定性差的軟弱場地的河段通過，應(yīng)盡量采用市政橋梁中線與河流正交，注意在河槽與河灘分界的地形突變處盡量避免設(shè)墩，否則應(yīng)予以加強(qiáng)措施，以減免滑移。
第五，對采用橡膠支座而無固定支座的橋跨，應(yīng)加設(shè)防移角鋼或設(shè)擋軌，作為支座的抗震設(shè)計(jì)。
第六，市政橋梁結(jié)構(gòu)以采用跨度相等、下部墩身剛度大致相等為宜。
第七，否則軟土的液化會加大地震反應(yīng)。
第八，橋跨宜短而不宜太長，大跨度意味著墩柱承受的軸向力過大，從而降低墩柱的延性能力。
第九，墩柱設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能地使用螺旋形箍筋，以便為墩柱提供足夠的約束。另外墩身及基礎(chǔ)的縱向鋼筋伸入蓋梁和承臺應(yīng)有一定的錨固長，以增強(qiáng)連接點(diǎn)的延性。
第十，對于較高的排架橋墩，墩間應(yīng)增設(shè)橫系梁，以減少墩柱的橫向位移和設(shè)計(jì)彎矩。
第十一，重視市政橋梁的減隔震設(shè)計(jì)，采用新技術(shù)、新材料，實(shí)現(xiàn)市政橋梁的抗震設(shè)計(jì)，比如減隔震支座，即雙曲面（球面）支座、鉛芯橡膠支座、阻尼器等。
7. 結(jié)語
市政橋梁結(jié)構(gòu)有效的抗震措施還有許多，因此我們在市政橋梁設(shè)計(jì)過程中須認(rèn)真分析和了解結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和特性，精心設(shè)計(jì)并采取一系列有效的抗震措施。市政橋梁抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，體現(xiàn)在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，需要認(rèn)真對待。
