曾利強(qiáng)

(惠州市道路橋梁勘察設(shè)計(jì)院,廣東惠州 516001)

關(guān)于惠州市橋梁抗震設(shè)計(jì)的探討

曾利強(qiáng)

(惠州市道路橋梁勘察設(shè)計(jì)院,廣東惠州 516001)

橋梁作為現(xiàn)代交通重要運(yùn)輸通道,對(duì)于抵抗地震作用的要求很高。首先對(duì)橋梁在地震作用下的主要破壞形式及橋梁抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié),然后以惠州市為代表,論述了低烈度地區(qū)橋梁抗震設(shè)計(jì)的基本思路和方法,有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

橋梁;低烈度地區(qū);抗震;方法

0 前言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,近年來惠州市新建了大量橋梁,這些橋梁的建成對(duì)促進(jìn)惠州當(dāng)?shù)亟煌ňW(wǎng)絡(luò)形成與暢通,促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。由于地震越來越頻繁地在世界各地發(fā)生,現(xiàn)代橋梁抗震性能的設(shè)計(jì)問題也逐漸成為廣大人民群眾所關(guān)注的熱點(diǎn)問題。為達(dá)到橋梁合理的抗震性能,橋梁結(jié)構(gòu)抗震研究的重要性不言而喻?；葜莸靥帍V東省東南部,就我國建筑抗震設(shè)防區(qū)劃來講,地震基本烈度為6度,設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.05 g,為低烈度地區(qū)。對(duì)于這種低烈度地區(qū)的抗震設(shè)計(jì)研究,相關(guān)理論已經(jīng)非常成熟,但對(duì)于這類低烈度地區(qū)的抗震設(shè)計(jì)思路和方法的總結(jié)較少,造成了一些設(shè)計(jì)人員思路混亂,因此有必要針對(duì)這種低烈度地區(qū)的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)歸納。

1 橋梁在地震作用下的主要破壞形式

分析過去橋梁地震的破壞情況,其結(jié)構(gòu)破壞主要表現(xiàn)在以下四種形式:

(1)支座破壞。橋梁支座是橋梁結(jié)構(gòu)體系中抗震性能比較薄弱的環(huán)節(jié)。在地震力的作用下,由于支座設(shè)計(jì)沒有充分考慮抗震要求,上部結(jié)構(gòu)的地震慣性力通過支座傳到下部結(jié)構(gòu),當(dāng)傳遞荷載超過支座設(shè)計(jì)極限強(qiáng)度時(shí),支座發(fā)生破壞。支座破壞引起橋梁傳力路徑改變甚至中斷,嚴(yán)重的會(huì)引起落梁。

(2)落梁破壞。落梁破壞是橋梁震害的主要形式。落梁破壞是當(dāng)梁板的水平位移超過橋梁梁端的支撐長度時(shí),梁板與墩臺(tái)之間的相對(duì)位移逐漸增大,從而使支座失效喪失了對(duì)橋梁約束能力的一種破壞形式。

(3)彎曲破壞。在地震荷載的作用下,橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形,由于過大的變形會(huì)導(dǎo)致橋梁混凝土層的脫落、內(nèi)部混凝土崩裂以及鋼筋屈服斷裂,從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)喪失承載能力。

(4)剪切破壞。在地震荷載的作用下,橋梁受到的剪切力超過了自身的剪切極限強(qiáng)度便會(huì)發(fā)生剪切破壞。

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)［1-5］

2.1 橋梁抗震設(shè)計(jì)原則

經(jīng)過數(shù)次的橋梁震害教訓(xùn),目前橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能遵循以下基本原則,以使橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度和延性等指標(biāo)上取得最佳的抗震效果。

(1)合理選擇場地。根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析盡可能選擇比較安全的場地,橋位選擇在抗震有利地段,盡量避開不利地段,避開危險(xiǎn)地段,橋梁基礎(chǔ)盡量建立在可靠的地基上,否則地基土的液化會(huì)加大地震反應(yīng)。在抗震不利、危險(xiǎn)地段布設(shè)橋梁時(shí),宜對(duì)地基采取適當(dāng)抗震加固措施。

(2)能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則。通過設(shè)計(jì),使結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件形成強(qiáng)度等級(jí)差異,確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生脆性的破壞模式。具體來說,就是要選擇理想的塑性鉸位置,通過強(qiáng)度和延性設(shè)計(jì),確保其延性抗震能力;而不利的塑性鉸位置或破壞機(jī)制(脆性破壞)則要通過提供足夠的強(qiáng)度加以避免。

(3)提高結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的強(qiáng)度和延性。橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞源于地震引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng),因此橋梁抗震設(shè)計(jì)要使從地基傳入結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量為最小,使結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、剛度和延性,以防止橋梁倒塌、破壞。在不增加重量、不改變剛度的前提下,提高總體強(qiáng)度和延性是兩個(gè)有效的抗震途徑。剛度的選擇有助于控制結(jié)構(gòu)變形;強(qiáng)度與延性則是決定結(jié)構(gòu)抗震能力的兩個(gè)重要參數(shù)。由于地震是周期反復(fù)作用的運(yùn)動(dòng),還要注意周期反復(fù)變形下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的剛度與強(qiáng)度的退化效應(yīng)。

(4)采取有效抗震措施,提高抗震效果。對(duì)連續(xù)梁和橋面連續(xù)的簡支梁橋,要采取防止橫向落梁的措施,同時(shí)設(shè)置限位裝置,保證在中小地震作用下不因位移過大導(dǎo)致伸縮縫等連接部件發(fā)生損壞。建設(shè)在軟弱性土層、液化土層和地層顯著不均勻地段的橋梁,宜采用整體剛度較高的結(jié)構(gòu)體系;橋梁聯(lián)內(nèi)的剛度、質(zhì)量分布均衡,橋梁墩臺(tái)分擔(dān)的地震作用合理;相鄰橋梁之間預(yù)留足夠的距離,防止發(fā)生地震碰撞,曲線橋、斜橋應(yīng)考慮轉(zhuǎn)動(dòng)引起的橋梁橫向位移;合理選擇潛在塑性區(qū)的位置,提高橋梁結(jié)構(gòu)的延性,基礎(chǔ)、拱肋、蓋梁不宜作為耗能構(gòu)件設(shè)計(jì)。

(5)設(shè)置多道抗震防線。應(yīng)盡量使橋梁結(jié)構(gòu)成為具有多道抵抗地震力的體系,在地震力作用下,當(dāng)?shù)谝坏婪谰€破壞后還有第二道防線可以支撐結(jié)構(gòu),防線越多,便可以越有效的避免橋梁倒塌、落梁。

2.2 橋梁抗震勘察設(shè)計(jì)

(1)路線設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)考慮橋位選址。橋位應(yīng)選擇在抗震有利地段,盡量避開不利地段,避開危險(xiǎn)地段。選擇橋址時(shí),應(yīng)避開地震時(shí)可能發(fā)生地基失效的松軟場地,選擇堅(jiān)硬場地?；鶐r、堅(jiān)實(shí)的碎石類地基、硬粘土地基是理想的橋址場地;飽和松散粉細(xì)砂、人工填土和極軟的粘土地基或不穩(wěn)定的坡地都是危險(xiǎn)地區(qū)。橋梁的基礎(chǔ)盡量建立在可靠的地基上,否則地基土的液化會(huì)加大地震反應(yīng)。

(2)加強(qiáng)巖土工程勘察力度,應(yīng)包括各土層的巖土特性參數(shù)、地基承載力、場地類別、液化判別、地震穩(wěn)定性、剪切波速測試結(jié)果、地基及基礎(chǔ)建設(shè)方案等方面內(nèi)容。當(dāng)橋址位于抗震不利地段時(shí),應(yīng)做出相應(yīng)的巖土地震穩(wěn)定性如滑坡、崩塌、液化和震陷特性等及發(fā)震斷裂對(duì)橋梁抗震性能的影響評(píng)價(jià)。對(duì)有特殊土動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的場地,還應(yīng)給出明確的抗震性能評(píng)價(jià)結(jié)果。巖土工程勘察報(bào)告給出場地類別依據(jù)應(yīng)準(zhǔn)確可靠,波速測試孔數(shù)量和布置符合現(xiàn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求,液化判別和液化等級(jí)評(píng)定、不利和危險(xiǎn)地段的判斷及發(fā)震斷裂評(píng)價(jià)等正確。

2.3 橋梁抗震加固措施

針對(duì)橋梁在地震中的震害類型，目前，國內(nèi)外橋梁抗震加固主要采取以下技術(shù)措施:

(1)在伸縮縫、鉸和梁端等上部接縫處采用拉桿、擋塊或者增加支承面寬度等措施，以防止落梁震害的發(fā)生。

(2)增加鋼筋混凝土橋墩的橫向約束，提高其抗彎延性和抗剪強(qiáng)度，防止橋墩彎曲和剪切破壞。

(3)采用減隔震技術(shù)及專門的耗能裝置，提高橋梁的抗震性能,如采用鉛芯橡膠耗能支座和智能支座來有效降低地震力對(duì)橋梁的沖擊。

(4)橋梁墩臺(tái)的加固可采用加大截面積加固法、外包鋼板加固法、鋼纖維混凝土加固法以及復(fù)合材料、碳纖維加固法等幾種主要的技術(shù)。

(5)無筋混凝土結(jié)構(gòu),早期用磚石材料建造的橋梁在地震力作用下隨時(shí)會(huì)發(fā)生脆性破壞,一般采用混凝土襯套法以及鋼板襯套法,使襯套與墩臺(tái)緊密結(jié)合成為一個(gè)整體,可有效抵御地震震害。

3 惠州市橋梁抗震設(shè)計(jì)思路和方法

惠州市地震基本烈度為6度,設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.05 g,為低烈度地區(qū)。根據(jù)現(xiàn)行的《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02-2013)3.1.4規(guī)定,對(duì)橋梁抗震設(shè)防類別為C類和D類橋梁,按所在區(qū)域地震基本烈度進(jìn)行設(shè)防;對(duì)橋梁抗震設(shè)防類別為A類和B類橋梁,提高一度進(jìn)行抗震設(shè)防,因此惠州市橋梁以6度或7度設(shè)防即可。

3.1 橋梁抗震構(gòu)造措施

(1)6度區(qū)的橋梁為避免地震時(shí)落梁,最有效的方法是提供足夠的支撐長度。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)11.2.1規(guī)定,簡支梁梁端至墩、臺(tái)帽或蓋梁邊緣應(yīng)有一定的最小距離。其最小值a(cm)按式(1)計(jì)算:

式中:L為梁的計(jì)算跨徑(m)。

(2)7度區(qū)的橋梁抗震措施,除應(yīng)滿足6度區(qū)外,還應(yīng)在梁板與梁板之間,梁板與橋臺(tái)背墻之間加裝橡膠墊或其他彈性襯墊等緩沖設(shè)施。對(duì)于橋面不連續(xù)的簡支橋,一般采用擋塊,螺栓連接和鋼夾板連接等防止橫、縱方向落梁。

(3)在不利區(qū)域建橋時(shí),應(yīng)合理布置橋孔,使橋墩、橋臺(tái)避開地震時(shí)可能滑動(dòng)的地形。否則,應(yīng)增加橋梁基礎(chǔ)的埋置深度和增強(qiáng)基礎(chǔ)抗側(cè)移的剛度。必要時(shí),還可以在基礎(chǔ)之間設(shè)置支承梁或用漿砌片石鋪砌河床。

3.2 注重抗震概念設(shè)計(jì)

橋梁的抗震設(shè)計(jì)一般都要包括五方面:抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)選定、抗震概念設(shè)計(jì)、地震反應(yīng)分析、抗震性能驗(yàn)算以及抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想,正確地解決結(jié)構(gòu)總體方案、材料使用和細(xì)部構(gòu)造,在強(qiáng)度、剛度和延性等指標(biāo)上最佳組合,以達(dá)到抗震設(shè)防的目標(biāo)。抗震概念設(shè)計(jì)并非不重視數(shù)值計(jì)算,而是為了給抗震計(jì)算創(chuàng)造出有利條件,使計(jì)算分析結(jié)果更能反映地震時(shí)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的真實(shí)情況。橋梁抗震概念設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系,主要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的一般要求進(jìn)行。對(duì)于采用延性抗震概念設(shè)計(jì)的橋梁,還包括延性類型選擇和塑性耗能機(jī)制選擇。概念設(shè)計(jì)決定橋梁的抗震性能,如果概念設(shè)計(jì)不適宜于抗震,那么不管進(jìn)行多詳細(xì)的計(jì)算和分析也是無濟(jì)于事。當(dāng)然,在做好概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上也必須認(rèn)真計(jì)算做好定量分析,定量的設(shè)計(jì)計(jì)算是橋梁抗震的最基本部份,抗震措施的使用不能導(dǎo)致上述計(jì)算結(jié)果的失效。

3.3 力求做到延性抗震設(shè)計(jì)

地震之所以造成橋梁結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌,在于它激起的地震慣性力超過了結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。假如完全依靠強(qiáng)度來抵抗地震作用,無疑會(huì)造成材料的巨大浪費(fèi)。目前大多數(shù)國家的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范己經(jīng)從傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論向延性抗震理論過渡,這種設(shè)計(jì)思想不但能借助結(jié)構(gòu)選定部位的塑性變形來消耗地震能量,還能延長結(jié)構(gòu)周期,從而減小地震反應(yīng),實(shí)現(xiàn)抵抗地震的作用。因此,在工程抗震中,一般都希望利用結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性抗震,即利用塑性鉸減小地震力,消耗能量。

延性抗震設(shè)計(jì)應(yīng)正確選擇潛在塑性鉸鏈的位置,橋梁塑性鉸的位置通常在便于發(fā)現(xiàn)和易于修復(fù)的墩柱下端或上端。通常把鋼筋混凝土墩柱按延性構(gòu)件設(shè)計(jì),可以發(fā)生彈塑性變形,消耗地震能量。橋墩塑性鉸區(qū)域長度用于確定延性橋墩箍筋加密段的長度,橋梁墩柱的縱向鋼筋應(yīng)盡可能延伸至蓋梁和承臺(tái)的另外一個(gè)側(cè)面,縱向鋼筋的錨固和搭接長度應(yīng)在現(xiàn)行規(guī)范要求的基礎(chǔ)上增加10倍縱向鋼筋的直徑長度,不應(yīng)在塑性鉸區(qū)域進(jìn)行縱向鋼筋的連接。

4 結(jié)語

作為一種自然現(xiàn)象,地震的發(fā)生是無法避免的。就橋梁結(jié)構(gòu)而言,可以通過一定的抗震措施來減少地震對(duì)其結(jié)構(gòu)的破壞,將地震造成的損失降到最低,并為震區(qū)的震后交通生命線暢通和救災(zāi)工作的順利進(jìn)行提供有力保障。本文總結(jié)了橋梁在地震作用下的主要破壞形式及橋梁抗震設(shè)計(jì)方法,并以惠州市為代表,論述了低烈度地區(qū)橋梁抗震設(shè)計(jì)的基本思路和方法,提出對(duì)于低烈度地區(qū)的橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)做好概念設(shè)計(jì),力求做到延性抗震設(shè)計(jì),促進(jìn)我國橋梁事業(yè)的蓬勃發(fā)展。

［1］ JTG B02-2013，公路工程抗震規(guī)范［S］.

［2］ JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

［3］ 王克海，韋韓，李茜，等.中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)理念［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2012，45(9):115-121.

［4］ 李建中，管仲國.基于性能橋梁抗震設(shè)計(jì)理論發(fā)展［J］.工程力學(xué)，2011(2):24-30.

［5］ 唐光武，蘭海燕.中國公路橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和評(píng)價(jià)［J］.公路交通技術(shù)，2011(6):39-43.

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1009-7716(2015)03-0069-03

2014-11-25

曾利強(qiáng)(1983-),男,廣東惠州人,工程師,從事路橋設(shè)計(jì)工作。