浅谈公路桥梁的防震设计

2022-09-18

在抗震抢险救灾中, 公路交通运输是抢救人民生命财产、尽快恢复生产和重建家园的重要环节。桥梁是交通的咽喉, 在国家建设中起着举足轻重的作用, 而在地震发生后为了紧急救援和抗震救灾的需要, 其重要性就更为明显。做好公路桥梁工程的抗震设计, 实施有效的抗震设防是当前防震减灾的关键性工作。本文从设计的角度, 就公路桥梁防震进行了探讨。

1 桥梁的震害原因分析

地震对公路桥梁的破坏主要有以下方面: (1) 地震位移造成的梁式桥梁上部活动节点处因盖梁宽度设置不足导致落梁或梁体相互磁撞引起的破坏, 而对拱式结构则主要表现在拱上建筑和腹拱的破坏, 拱圈在拱顶、拱脚产生的破损裂缝, 甚至整个隆起变形。 (2) 由于地基土的地震液化影响, 加大了地震位移的影响, 进而放大了结构的振动反应, 使落梁的可能性增大。当采用排架桩基础时, 则使桩基的承载力降低, 从而造成与地震反应无关的过大的竖向和横向位移, 而简支梁桥对此尤为明显。另外, 由于地基软弱, 地震时当部分地基液化失效后引起了结构物的整体倾斜, 下沉等严重变形, 进而导致结构物的破坏, 震害较重。 (3) 支座破坏, 在地震力的作用下, 由于支座设计没有充分考虑抗震要求, 构造上连接与支挡等构造措施不足, 或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素, 导致了支座发生过大的位移和变形, 从而造成如支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等, 并由此导致结构力的传递形式的变化, 进而对结构的其他部位产生不利的影响。 (4) 软弱的下部结构破坏, 即由于桥梁下部结构不足以抵抗其自身的惯性力和支座传递的主梁的地震力, 导致结构下部的开裂、变形和失效, 甚至倾覆, 并由此引起全桥的严重破坏。 (5) 在松软地基上的桥梁, 特别是特大桥、大中桥, 地震时往往发生河岸滑移, 使桥台向河心移动, 导致全桥长度的缩短, 这类震害是比较严重的。 (6) 桥梁结构的震害还表现在如结构构造及连接不当造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成桥台沉降或斜度过大造成桥墩台承受过大的扭矩而引起的破坏等多种原因。

2 公路桥梁抗震设防原则

按照国际通行的要求, 公路桥梁防震应达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的标准。我国也已新颁布了《公路桥梁抗震设计细则》 (JTG/TB02-01-2008) , 对公路桥梁防震设计提出了新的规范。要确保公路桥梁在经受地震时达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的标准, 必须进一步明确抗震设防的原则。

2.1 体系的整体性和规则性原则

桥梁的整体性要好, 上部结构应尽可能是连续的。整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被振散掉落, 同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。无论是在平面或立面上, 结构的布置都要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规整, 避免突然变化。

2.2 能力设计原则

能力设计思想强调强度安全度差异, 即在不同构件 (延性构件和能力保护构件——不适宜发生非弹性变形的构件统称为能力保护构件) 和不同破坏模式 (延性破坏和脆性破坏模式) 之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异, 确保结构在大地震下以延性形式反应, 不发生脆性的破坏模式。在我国建筑抗震设计中, 普遍采用“强柱弱梁, 强剪弱弯, 强节点弱构件”的设计思想, 这种思想即能力设计原则的具体体现。

2.3 多道抗震设防原则

所谓多道抗震设防, 是指在一个抗震结构体系中, 一部分延性好的构件在地震作用下, 首先达到屈服, 充分发挥其吸收和耗散地震能量的作用, 即负担起第一道抗震防线的作用, 其他构件则在第一道抗震设防屈服后才依次屈服, 从而形成第二道、第三道或更多道抗震防线, 这样的结构体系对保证结构的抗震安全性是非常有效的。例如建筑结构中, 框架剪力墙结构, 剪力墙是第一道抗震防线, 框架是第二道抗震防线。应力图使桥梁具有多道抵抗地震侧向力的体系, 则在强地震动过程中, 一道防线破坏后尚有第二道防线可以支承结构, 避免倒塌。因此, 超静定结构优于同种类型的静定结构。

3 桥梁的抗震设计方法和抗震要点

3.1 桥梁抗震的设计方法

当前, 比较容易实现和有效的抗震方法主要有以下几种。 (1) 采用隔震支座。大量的试验和理论分析都表明其联结方式对桥梁结构的地震反应有很大的影响, 在梁体与墩、台的联结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力。 (2) 采用隔震支座和阻尼器相结合的系统, 利用桥墩在地震作用下发生弹塑性变形耗散地震能量以达到减震的目的。 (3) 利用桥墩延性减震。桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性, 以便在强震作用下使这些部位形成稳定的延性塑性铰产生弹塑性变形来延长结构周期、耗散地震能量。 (4) 采用减震的新结构。型钢混凝土结构是在混凝土上包裹型钢做成的结构。它与钢筋混凝土结构相比具有一系列优点, 其承载力可以高于同样外形的钢筋混凝土构件承载力一倍以上, 具有较好的抗剪能力, 延性比明显高于钢筋混凝土结构, 滞回曲线较为饱满, 耗能能力有显著的提高, 从而呈现出良好的抗震性能。能够隔离、吸收和耗散地震能量, 同时可以节约材料, 降低造价。

3.2 减震设计中的要点

(1) 结构的刚度对称有利于抗震, 不等跨的桥梁容易发生震害。特别是一座桥内墩身高度相差过大, 在较矮的桥墩上会产生很大的地震水平力, 跨径不同。在大跨径的桥孔的桥墩上也产生大的地震力。设计上尽量避免在高烈度区采用这种桥型, 如无法避免。宜在不利墩上设置消能措施降低墩顶集成刚度, 例如设抗震支座等。 (2) 斜桥的抗震性能较差。由于斜桥的抗推刚度非常大, 在高烈度区, 相应于桥墩的基本周期动力放大系数也非常大, 这导致地震效应扩大。另外, 在桥台处, 地震时河岸不稳, 易向河心滑移, 使桥长缩短, 桥孔发生错动或扭转, 造成墩台身开裂或折断。建议如地基条件允许, 台身可作成T型或U型这类整体性强、抗扭刚度大的, 或采用埋置式。如在松软的地基上, 桥梁宜正交, 并适当增加桥长, 使桥台放在稳定的河岸上。 (3) 在可能发生地震液化的地基上建桥时, 应采用深基础, 使桩或沉井穿过可能液化的土层埋入较稳定密实的土层内。 (4) 采用浅基的小桥和通道应加强下部的支撑梁板或做满河床铺砌。使结构尽量保持四铰框架的结构, 防止墩台在地震时滑移。 (5) 在高烈度区的大跨径桥梁, 纵向梁间设置消能设施, 消能设施应有足够的强度, 并能满足梁端位移要求。此外, 为防止发生落梁, 应加强上、下部结构之间的联系。桥梁的支座锚栓、销钉、剪力键等应有足够的强度。

摘要：防震设计是我国公路桥梁设计的重要内容。本文在分析公路桥梁震害原因的基础上, 阐述了公路桥梁防震设计的原则、方法和桥梁防震的有效措施。

关键词：公路桥梁,建筑设计,防震分析