朱 江

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041)

談高烈度山區(qū)公路簡(jiǎn)支梁橋的抗震措施

朱 江

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041)

介紹了山區(qū)公路簡(jiǎn)支體系橋梁的特點(diǎn)，對(duì)汶川地震中簡(jiǎn)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(jìn)行了分析，從橋位、橋型選擇，搭接、限位、防落梁設(shè)計(jì)，支座、橋墩、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等方面提出了抗震措施。

簡(jiǎn)支梁橋，地震，抗震設(shè)計(jì)，破壞

0 引言

自從四川5·12汶川大地震以來(lái)，由于地殼運(yùn)動(dòng)活躍，我國(guó)進(jìn)入了地震頻發(fā)期。同時(shí)我國(guó)的公路建設(shè)逐漸向邊遠(yuǎn)山區(qū)延伸，這使得公路抗震設(shè)計(jì)的重要性愈發(fā)凸顯。筆者作為一名交通行業(yè)的橋梁設(shè)計(jì)人員，結(jié)合四川山區(qū)公路橋梁設(shè)計(jì)及施工實(shí)踐，淺談高地震烈度山區(qū)公路簡(jiǎn)支梁橋的抗震措施。

1 簡(jiǎn)支體系橋梁的地震破壞分析

1.1 山區(qū)公路簡(jiǎn)支體系橋梁特點(diǎn)

山區(qū)地質(zhì)情況復(fù)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(fù)，而公路建設(shè)極易誘發(fā)山體滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，造成水土流失、擠占河道等不良后果。如何在盡量保護(hù)環(huán)境的前提下，節(jié)約工程造價(jià)，是山區(qū)公路建設(shè)面臨的一大問(wèn)題。

修建橋梁對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響相對(duì)較小。而簡(jiǎn)支梁橋由于其受力明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，裝配式施工方便，造價(jià)較低等特點(diǎn)，在山區(qū)公路橋梁中占有很大的比重，其主要特點(diǎn)如下：1)橋跨組合較復(fù)雜。由于山區(qū)地形復(fù)雜，跨“V”形、“U”形地形的簡(jiǎn)支梁橋常常要進(jìn)行不同跨徑的組合來(lái)適應(yīng)地形的變化。半幅橋、左、右分幅橋的組合是常用設(shè)計(jì)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(yīng)地形，線形指標(biāo)往往較低，小半徑彎橋的板塊布置較復(fù)雜。位于長(zhǎng)大縱坡的橋梁要特別注意結(jié)合受力特點(diǎn)進(jìn)行支座布置。3)下部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為適應(yīng)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(dú)柱墩等。

1.2 四川地形特點(diǎn)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(shì)西高東低，由西北向東南傾斜。以龍門(mén)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。

四川位于地中海—喜馬拉雅地震帶上，屬于我國(guó)地震活動(dòng)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(mén)山大斷裂上。四川山區(qū)的地震設(shè)防烈度為7度～9度。

1.3 汶川地震中簡(jiǎn)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(jiǎn)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(tái)破壞、地基震害等幾種類(lèi)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(dòng)力的影響，造成支座、擋塊的破壞失效(見(jiàn)圖1)，最終使主梁移動(dòng)甚至落梁(見(jiàn)圖2)。破壞程度與支座類(lèi)型構(gòu)造和主梁的擱置長(zhǎng)度有關(guān)。

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(kāi)裂、系梁開(kāi)裂的破壞現(xiàn)象，是一種嚴(yán)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(jiàn)圖3，圖4)。

通過(guò)對(duì)汶川地震橋墩破壞的調(diào)查分析表明，簡(jiǎn)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(dǎo)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(guān)，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(jiǎn)支體系橋梁的抗震措施

目前四川高烈度山區(qū)的簡(jiǎn)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(shè)防等幾方面綜合考慮。

2.1 橋位、橋型的選擇

橋位應(yīng)盡量避開(kāi)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(zāi)害的大型泥石流和滑坡地段。

跨越斷裂帶的簡(jiǎn)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(yīng)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(shè)計(jì)

2.2.1 搭接長(zhǎng)度

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

JTG/T B021-01-2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則中對(duì)擱置長(zhǎng)度的規(guī)定為：簡(jiǎn)支梁梁端至臺(tái)帽或蓋梁邊緣應(yīng)有一定的距離，最小值a(cm)按下式計(jì)算：

a≥70+0.5L。

其中，L為梁的計(jì)算跨徑，m。

對(duì)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(guò)對(duì)汶川地震中簡(jiǎn)支梁橋造成落梁情況的統(tǒng)計(jì)分析表明，僅靠經(jīng)驗(yàn)公式不能滿足橋梁在地震中的位移要求，還應(yīng)綜合考慮設(shè)防等級(jí)、場(chǎng)地類(lèi)型、橋墩高度、線形曲率半徑等各種因素確定搭接長(zhǎng)度。如川西某8級(jí)設(shè)防的高速公路項(xiàng)目，30 m跨徑簡(jiǎn)支T梁橋，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算a≥85 cm，考慮到是8級(jí)地震烈度，結(jié)合地質(zhì)、地形條件，設(shè)計(jì)中蓋梁的搭接長(zhǎng)度取值為100 cm。

2.2.2 限位及防落梁設(shè)計(jì)

限位構(gòu)造設(shè)計(jì)為將慣性力傳遞至下部結(jié)構(gòu)的元件，其設(shè)計(jì)的基本要求如下：1)限位構(gòu)造的設(shè)計(jì)移動(dòng)間隙要大于支座在小震作用下的變形量，使其在正常運(yùn)營(yíng)及小震時(shí)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(shí)，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(qiáng)度低于橋墩、基礎(chǔ)的抗剪強(qiáng)度；3)限位構(gòu)造的安裝應(yīng)不妨礙防落梁裝置的安裝和功能實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)對(duì)汶川地震部分簡(jiǎn)支梁橋震害情況分析表明，擋塊的強(qiáng)弱直接影響到橋墩在地震作用下的橫橋向內(nèi)力，剛度過(guò)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(shí)，墩柱出現(xiàn)開(kāi)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(yīng)在保證不落梁的前提下，盡量減小橋墩內(nèi)力。

在設(shè)計(jì)中，通常采用雙層擋塊(內(nèi)擋塊較弱，外擋塊較強(qiáng))，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(shè)計(jì)

目前四川地區(qū)的簡(jiǎn)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(guò)配合雙層擋塊限位及防落梁的設(shè)計(jì)，使支座及擋塊的損傷起到分級(jí)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(yīng)變表達(dá)式：

γ=Dx0/∑t。

其中，Dx0為對(duì)應(yīng)水準(zhǔn)地震作用引起的支座水平位移效應(yīng)和永久作用效應(yīng)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(duì)應(yīng)水準(zhǔn)地震作用效應(yīng)和永久作用效應(yīng)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(dòng)摩阻系數(shù)，橡膠支座與混凝土表面的動(dòng)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(shù)

隔震、減震技術(shù)是通過(guò)隔震、減震裝置將結(jié)構(gòu)最大限度的與地震時(shí)的地面運(yùn)動(dòng)或支座運(yùn)動(dòng)分隔開(kāi)，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(zhǎng)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(wú)法限制位移，耗能效果也不明顯。目前應(yīng)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(dòng)摩擦隔震支座。四川高地震烈度地區(qū)的簡(jiǎn)支梁橋也逐步開(kāi)始使用鉛芯橡膠隔震支座。

2.4 橋墩的抗震設(shè)計(jì)

2.4.1 橋墩抗震設(shè)計(jì)的基本原則

1)高烈度地區(qū)的中小跨徑橋梁不宜采用獨(dú)柱墩，雙柱墩之間應(yīng)設(shè)置系梁，地面要設(shè)置地系梁，墩身中間應(yīng)根據(jù)橋墩高度設(shè)置中系梁，一般間隔10 m左右設(shè)置一道中系梁。系梁剛度不宜過(guò)大，避免“強(qiáng)梁弱柱”效應(yīng)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(qiáng)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(dǎo)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(shí)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(guò)橋墩塑性鉸區(qū)截面的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力獲得的。為保證橋墩的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，通常在塑性鉸區(qū)配置適當(dāng)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(yīng)力狀態(tài)，從而提高混凝土的極限壓應(yīng)變，使得橋墩潛在塑性鉸截面具有一定的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力。

規(guī)范中規(guī)定橋墩塑性鉸區(qū)的長(zhǎng)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(yīng)延續(xù)到蓋梁和承臺(tái)內(nèi)，延伸到蓋梁或承臺(tái)的距離不宜小于墩柱長(zhǎng)邊尺寸的1/2，并不小于50 cm。2)墩柱的縱筋應(yīng)盡可能地延伸至蓋梁和承臺(tái)的另一側(cè)面，縱筋的錨固和搭接長(zhǎng)度應(yīng)在現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的基礎(chǔ)上增加10d，d為縱筋的直徑，不應(yīng)在塑性鉸區(qū)域內(nèi)進(jìn)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(duì)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(yīng)采用135°彎鉤，并伸入核心混凝土中。

2.5 基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)

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

1)基礎(chǔ)應(yīng)按能力保護(hù)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)彎矩、設(shè)計(jì)剪力應(yīng)為墩柱極限彎矩(考慮超強(qiáng)系數(shù))對(duì)應(yīng)的彎矩、剪力值。

2)采用樁柱式基礎(chǔ)時(shí)，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(yīng)大于墩柱，且樁身鋼筋籠直徑也隨之增加。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)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(shè)計(jì)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(chǔ)等幾個(gè)方面對(duì)在高地震烈度山區(qū)簡(jiǎn)支體系橋梁的抗震設(shè)計(jì)措施進(jìn)行了簡(jiǎn)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(shí)踐都勢(shì)必會(huì)得到進(jìn)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