橋梁結(jié)構(gòu)震害及抗震設(shè)計(jì)理念淺議

1、文章編號(hào):1009 6825(201018 0303 02橋梁結(jié)構(gòu)震害及抗震設(shè)計(jì)理念淺議收稿日期:2010 02 22作者簡(jiǎn)介:謝華偉(1981 ,男,助理工程師,中交四航局第一工程公司,廣東廣州 510000雷敘淥(1985 ,女,助理工程師,中交四航局第一工程公司,廣東廣州 510000謝華偉 雷敘淥文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0 引言地震具有突發(fā)性和強(qiáng)破壞力的特點(diǎn),通常對(duì)公路工程具有極大的破壞作用致使嚴(yán)重的交通中斷。橋梁作為 生命線工程 的重要組成部分,在地震發(fā)生后發(fā)生損壞坍塌,會(huì)給緊急救援和抗震救災(zāi)帶來(lái)更多困難,不僅阻礙當(dāng)前的救災(zāi)行動(dòng),還會(huì)影響災(zāi)后的恢復(fù)工作,因此應(yīng)對(duì)橋梁抗震給予重視。在世界上的兩個(gè)

2、主要地震帶:環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶中,環(huán)太平洋地震帶是最活躍的,集中了全世界80%以上的地震1。我國(guó)大部分地區(qū)夾在這兩大地震帶之間,是一個(gè)多地震的國(guó)家,具有地震頻率高,強(qiáng)度大且分布范圍廣的特點(diǎn)2。近年來(lái),強(qiáng)烈地震頻頻發(fā)生,1976年河北唐山大地震、1999年臺(tái)灣集集地震以及2008年的汶川大地震,都造成了人民財(cái)產(chǎn)與生命的巨大損失,公路和鐵路橋梁的嚴(yán)重毀壞更給抗震救災(zāi)造成巨大的困難,給人們留下了更慘痛的記憶。這些地震災(zāi)害的教訓(xùn),使各國(guó)公路建設(shè)人員以及學(xué)者對(duì)橋梁抗震研究越來(lái)越重視,開(kāi)展了廣泛的研究。如何保證橋梁在地震作用下以及地震后仍能通行,是橋梁抗震中的一個(gè)重要課題。1 地震引起的橋梁震害強(qiáng)

3、烈的地震常引起地表的變化,如地裂、斷層等破壞,而橋梁作為生命線工程中的重要組成部分,一旦破壞便會(huì)造成震后救災(zāi)工作的巨大困難,使得次生災(zāi)難加重。通過(guò)調(diào)查與了解橋梁的震害及其產(chǎn)生的原因,以便建立正確的抗震設(shè)計(jì)方法并采取有效的抗震措施是應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害的有效方式。對(duì)各次地震引起的震害調(diào)查進(jìn)行總結(jié),發(fā)現(xiàn)橋梁震害主要有以下幾方面。1.1 上部結(jié)構(gòu)的震害地震區(qū)內(nèi),梁、拱上部結(jié)構(gòu)自身因遭受地震而破壞的情形是較少見(jiàn)的,往往是由于橋梁結(jié)構(gòu)其他部位的毀壞而導(dǎo)致梁體、拱體的損傷。例如支承連接件失效或下部結(jié)構(gòu)失效等引起的落梁、層為粉質(zhì)黏土,基本承載力0.15M P a 。該墩位于8度地震區(qū),地震動(dòng)峰值加速度為0.2g,地

4、震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s 。3.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用一般門式墩結(jié)構(gòu),在基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)上存在以下問(wèn)題:1按明挖基礎(chǔ)設(shè)計(jì),3層基礎(chǔ)基底出現(xiàn)拉應(yīng)力,應(yīng)力重分布后壓應(yīng)力大于容許應(yīng)力,不能滿足設(shè)計(jì)要求;采用非常規(guī)的4層明挖基礎(chǔ)可以滿足,但是一方面基底至玄武巖下的粉質(zhì)黏土層距離不到6m,另一方面由于該橋墩的墩柱一個(gè)靠近路邊,另一個(gè)位于道路中間的綠化帶中,開(kāi)挖防護(hù)工程量大、破壞路面范圍大,且公路在施工期間仍然使用,施工存在較大的安全隱患。2按柱樁基礎(chǔ)計(jì)算,承臺(tái)厚2m,樁長(zhǎng)一般不宜小于6m,樁底至玄武巖下的粉質(zhì)黏土層距離不到3m,不能滿足設(shè)計(jì)要求。3按摩擦樁基礎(chǔ)計(jì)算,承臺(tái)厚2m,每個(gè)柱采用6根1m 樁,樁長(zhǎng)47

5、m 才能滿足承載力及沉降要求。施工難度大,需要打穿9m 厚玄武巖,且圬工量大。采用蓋梁兩端設(shè)置支座的門式墩結(jié)構(gòu),由于柱身僅有支座摩阻力產(chǎn)生的彎矩,采用正常的3層明挖基礎(chǔ)即可滿足設(shè)計(jì)要求。4 設(shè)計(jì)需注意的問(wèn)題1位于地震區(qū)時(shí),由于該橋墩承受了兩個(gè)半孔梁的荷載,所以在蓋梁的防落梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度需大于2倍的梁體防落梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度。2橋梁的設(shè)計(jì)年限為100年,支座的設(shè)計(jì)年限為20年。當(dāng)支座需要更換時(shí),兩端鉸接的門式墩需要將該橋墩上相鄰的兩孔梁同步頂起,才能更換支座,一端鉸接的門式墩更換支座需要采用非常規(guī)方法解決。5 結(jié)語(yǔ)在今后的鐵路設(shè)計(jì),小角度切入公路,高架車站的橋墩設(shè)計(jì)中將更多的采用門式墩或多跨門式墩結(jié)構(gòu),在合

6、理的位置采用支座鉸接,可以更大限度地節(jié)約基礎(chǔ)圬工,優(yōu)化設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn):1 張 偉,徐志強(qiáng).更換T 梁橋支座的一種施工方法J.山西建筑,2008,34(6:314 315.The application of bearings in gate style piers of railway bridgesDU YanAbstract:T he thesis introduced in details the application o f bearings in gate style pier design of one railway bridge and pointed out the mat

7、ters should be no ticed in the desig ns,specific ex amples proved that in the designs of gate style piers,the rational application of bear ings in hinging could reach the effects of saving foundation masonr y and optimizing the desig ns.Key words:r ailway bridg es,gate style pier,bearing,desig n!303

8、!第36卷第18期2010年6月 山西建筑SHANXI ARCH ITECTUREVol.36No.18Jun. 2010主梁的移動(dòng)、扭曲、裂縫等現(xiàn)象。在地基良好的條件下,即使是延性很差的圬工拱橋,也都具有良好的抗震能力,但地基較差或采用柔性樁墩的多孔拱橋,上部結(jié)構(gòu)震害較嚴(yán)重3。在破壞性地震中,落梁震害較為常見(jiàn),地震時(shí)的地面搖動(dòng)和地震引起的地面瞬時(shí)變形都能導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),當(dāng)梁與墩(臺(tái)相對(duì)位移過(guò)大,支座喪失約束能力后便會(huì)發(fā)生落梁震害。1.2 支座的震害支承連接構(gòu)件是結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間聯(lián)系、傳力的關(guān)鍵部位,該類構(gòu)件在歷次破壞性地震中的損壞現(xiàn)象比較普遍。其形式主要表現(xiàn)為支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動(dòng)

9、支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞等。此類破壞之后,結(jié)構(gòu)力的傳遞方式也相應(yīng)發(fā)生了變化,從而使得結(jié)構(gòu)其他部位的抗震受到影響,進(jìn)一步加重震害。1.3 下部結(jié)構(gòu)的震害下部結(jié)構(gòu)的震害包括橋臺(tái)、橋墩的震害。橋臺(tái)震害主要表現(xiàn)為橋臺(tái)向河心滑移導(dǎo)致樁柱式橋臺(tái)的樁柱傾斜、折斷和開(kāi)裂,橋頭引道沉降,翼墻損壞、開(kāi)裂。橋臺(tái)的滑移與傾斜會(huì)進(jìn)一步使主梁受壓破壞,甚至使主梁坍毀。橋墩的震害主要表現(xiàn)為橋墩沉降、傾斜、移位,墩身開(kāi)裂、剪斷,受壓緣混凝土崩潰,鋼筋裸露屈曲,橋墩與基礎(chǔ)連接處開(kāi)裂、折斷等4。1.4 地基與基礎(chǔ)震害地基與基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是導(dǎo)致橋梁倒塌,在震后難以修復(fù)使用的重要原因。地基破壞主要表現(xiàn)為砂土液化、地基失效、基礎(chǔ)

10、沉降和不均勻沉降破壞及由于上承載力和穩(wěn)定性不夠所導(dǎo)致的地面大變形,地層發(fā)生水平滑移、下沉等。擴(kuò)大基礎(chǔ)自身的震害極為少見(jiàn),但不良的地質(zhì)條件也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)沉降、滑移等現(xiàn)象;樁基礎(chǔ)承臺(tái)的體積、強(qiáng)度和剛度都很大,也極少發(fā)生破壞,但樁基的傾斜、下沉、滑移、裂縫、傾覆等破壞現(xiàn)象亦有發(fā)生。2 橋梁抗震的合理途徑對(duì)各次地震的震害調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)合抗震經(jīng)驗(yàn),研究者認(rèn)為傳統(tǒng)的抗震對(duì)策難以確保橋梁在地震中的安全性。比較合理有效的抗震途徑應(yīng)該是采用抗震、隔震、減震相結(jié)合的綜合防災(zāi)對(duì)策。2.1 橋梁的抗震設(shè)計(jì)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)分析,工程人員現(xiàn)常見(jiàn)的橋梁抗震設(shè)計(jì)方法有:設(shè)計(jì)靜力法、反應(yīng)譜法和動(dòng)態(tài)時(shí)程法。靜力法假

11、設(shè)結(jié)構(gòu)各個(gè)部分與地震振動(dòng)具有相同的振動(dòng),從而作用于結(jié)構(gòu)物的慣性力即可由地面運(yùn)動(dòng)加速度與各部分的質(zhì)量乘積得到。靜力法把地震加速度看作是橋梁結(jié)構(gòu)破壞的唯一因素,忽略了結(jié)構(gòu)本身動(dòng)力特性的影響,存在較大局限性。反應(yīng)譜的概念是由美國(guó)學(xué)者M(jìn) A.Boit 提出的,并給出了第一條彈性反應(yīng)譜;G.M.Housner 提出了基于反應(yīng)譜理論抗震計(jì)算的反應(yīng)譜法。動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法是20世紀(jì)60年代以后伴隨有限元法、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的,該法將橋梁結(jié)構(gòu)離散成多節(jié)點(diǎn)、多自由度的有限元模型,將地震強(qiáng)迫振動(dòng)的激振直接輸入,并借助計(jì)算機(jī)逐步積分求解結(jié)構(gòu)響應(yīng)。2.2 橋梁的隔震設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)隔震的原理是增加結(jié)構(gòu)的柔性以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自

12、振周期,減小由地震產(chǎn)生的地震荷載6。增加結(jié)構(gòu)的阻尼或能量耗散能力是減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)較為實(shí)用的抗震方法,較為現(xiàn)實(shí)的方法有:采用減、隔震支座在梁體與墩、臺(tái)的連接處增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼,大量的試驗(yàn)和分析都表明這種連接方式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有很大的影響,能有效地減小墩、臺(tái)所受的地震力。利用橋墩延性減震,是橋梁抗震設(shè)計(jì)中常用的方法。其原理是將橋墩某些部位設(shè)計(jì)得具有足夠的延性,強(qiáng)震作用下這些部位便會(huì)形成穩(wěn)定的塑性鉸,并產(chǎn)生彈塑性變形延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期、耗散地震能量。3 抗震設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)盡管許多抗震及隔震措施能對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的分災(zāi)效果較好,但是仍有些在抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。在多級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的要

13、求下,對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、延性變形、結(jié)構(gòu)控制、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定也要遵循多級(jí)設(shè)防的原則進(jìn)行。在分析原有結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)上,應(yīng)提出地震響應(yīng)相對(duì)更為適合的結(jié)構(gòu)類型。對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要從設(shè)計(jì)角度提高結(jié)構(gòu)的防震能力,并系統(tǒng)考慮結(jié)構(gòu)的行為能力設(shè)計(jì)。針對(duì)目前大量橋梁倒塌毀壞的教訓(xùn),應(yīng)該開(kāi)展抗震支座、各類橋墩的延性設(shè)計(jì)研究,利用約束混凝土以提高橋梁墩體的延性。結(jié)合我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)的情況研究結(jié)構(gòu)控制的有效形式,加強(qiáng)抗震措施,采用 以柔克剛 的設(shè)計(jì)思想考慮地震區(qū)結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)方法,改變 以剛克剛 的傳統(tǒng)設(shè)防觀點(diǎn)。4 結(jié)論及建議橋梁結(jié)構(gòu)作為地震災(zāi)害后緊急救援以及運(yùn)送物資的必要條件,在地震災(zāi)害中的保通與安全至關(guān)重要。我國(guó)在橋梁抗震方

14、面的不足主要是缺乏大量的基礎(chǔ)性研究。尤其是橋梁的抗震減災(zāi)涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域,而我國(guó)對(duì)橋梁抗震新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的研究和應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外。因此我們?cè)跇蛄涸O(shè)計(jì)過(guò)程中更要認(rèn)真分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和特性,設(shè)計(jì)有效的抗震措施以達(dá)到結(jié)構(gòu)的防震和抗震效果,以便提高和完善橋梁結(jié)構(gòu)物的抗震性能,這對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效應(yīng)性同樣有益。參考文獻(xiàn):統(tǒng)工程研究J.災(zāi)害學(xué),2006,21(3:15 19.2 趙榮國(guó),李衛(wèi)平,張 虹.2005年地震災(zāi)害綜述J.國(guó)際地震動(dòng)態(tài),2006(1:20 23.3 張煜敏.考慮強(qiáng)震序列作用的連梁裝置分析研究D.西安:長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)位論文,2008:6 10.4 徐一卓,馬 蒿.公路橋梁

15、震害分析及抗震加固方法J.山西建筑,2010,36(4:319 320.5 譚 文.淺談橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題J.山西建筑,2008,34(5:124 125.6 胡 鵬.減隔震裝置在橋梁抗震加固中的應(yīng)用J.建材設(shè)計(jì)與應(yīng)用,2006(2:12 14.Discussion on bridge stru cture earthquake damage and seismic design conceptX IE Hua wei LEI Xu luAbstract:T hr ough all prev ious earthquake damage investig atio n,it pointed out bridge structure life line eng ineering damag e had large influences on disaster relief behav ior and resuming after disaster.Various situations