桥梁的抗震设计浅析

2022-09-22

汶川大地震对高速公路桥梁破坏严重, 多座桥梁在地震中跨蹋, 给救灾工作带来严重影响, 造成了更大的伤亡后果。近年来在多地震国家如日本、美国都积极开展桥梁结构的抗震研究。

1 桥梁的震害及特征

对国内外震害的调查表明, 在过去的地震中, 有许多桥梁遭受了不同程度的破坏, 其主要震害有以下几点。

(1) 桥台震害。桥台的震害主要表现为桥台与路基一起向河心滑移, 导致桩柱式桥台的桩柱倾斜、折断和开裂:重力式桥台胸墙开裂, 台体移动、下沉和转动;桥头引道沉降, 翼墙损坏、开裂, 施工缝错工、开裂以及因与主梁相撞而损坏。桥台的滑移与倾斜会进一步使主梁受压破坏, 甚至使主梁坍毁。

(2) 桥墩震害。桥墩震害主要表现为桥墩沉降、倾斜、移位, 墩身开裂、剪断, 受压缘混凝土崩溃, 钢筋裸露屈曲, 桥墩与基础连接处开裂、折断等。

(3) 支座震害。在地震力的作用下, 由于支座设计没有充分考虑抗震的要求, 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) 梁的震害。桥梁最严重的震害现象是主梁坠落。落梁主要是由于桥台、桥墩倾斜、倒塌, 支座破坏, 梁体碰撞, 相邻墩间发生过大相对位移等引起的。

(5) 地基与基础震害。地基与基础的严重破坏是导致桥梁倒塌, 并在震后难以修复使用的重要原因。地基破坏主要是指因砂土液化、不均匀沉降及稳定性不够等因数导致的地层水平滑移、下沉、断裂。基础的破坏与地基的破坏紧密相关, 地基破坏一般都会导致基础的破坏, 主要表现为移位、倾斜、下沉、折断和屈曲失稳。

(6) 另外桥梁结构的震害还表现在:结构构造及连接不当所造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成的桥台沉降或斜度过大而造成墩台承受过大的扭矩引起的破坏。

2 桥梁的抗震设计

桥梁的抗震设计应分两阶段进行:1) 在方案设计阶段进行抗震概念设计, 选择一个较理想的抗震结构体系;2) 在初步或技术设计阶段进行延性抗震设计, 并根据设计思想进行抗震能力验算, 必要时进行减、隔震设计提高结构的抗震能力。

2.1 抗震概念设计

由于地震发生的不确定性和复杂性, 再加上结构计算模型的假定与实际情况的差异, 使“计算设计”很难控制结构的抗震性能, 因而不能完全依赖计算。结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。因此, 在桥梁的方案设计阶段, 不能仅仅根据功能要求和静力分析就决定方案的取舍, 还应考虑桥梁的抗震性能, 尽可能选择良好的抗震结构体系。在抗震概念设计时, 要特别重视上、下部结构连接部位的设计, 桥墩形式的选取, 过渡孔处连接部位的设计以及塑性铰预期部位的选择。

为了保证所选择的结构体系在桥址处的场地条件下确实是良好的抗震体系, 必须进行简单的分析 (动力特性分析和地震反应评估) , 然后结合结构设计分析结构的抗震薄弱部位, 并进一步分析是否能通过配筋或构造设计, 保证这些部位的抗震安全性。最后, 根据分析结果综合评判结构体系抗震性能的优劣, 决定是否要修改设计方案。

2.2 常用的抗震设计方法

增加结构的柔性以延长结构的自振周期, 达到减小由于地震所产生的地震荷载和增加结构的阻尼或能量耗散能力以减小由于地震所引起的结构反应是实用的抗震方法。当前, 比较容易实现和有效的抗震方法主要有以下几点。

(1) 采用隔震支座。采用减、隔震支座 (聚四氟乙烯支座、叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座等) 在梁体与墩、台的连接处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应;采用减、隔震支座桥梁结构的梁体通过支座与墩、台相联结, 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, 利用桥墩的延性抗震。近20年来, 国外在桥梁减、隔震和延性抗震方面进行了许多研究, 美国、新西兰和日本等在桥梁设计规范中都列入了相应的条款。

(3) 利用桥墩延性减震。利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法, 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。在进行延性抗震设计时, 按弹性反应谱计算塑性反应的地震荷载需要修正, 桥梁抗震设计规范采用了综合影响系数来反映塑性变形的影响。

2.3 新型桥梁抗震设计方法

传统桥梁的抗震设计, 是从强度和延性等方面来确保桥梁具有足够的抗震能力, 使之在地震作用下不垮。然而由于人们尚难以准确估计桥梁结构的抗震能力和地震作用, 因而桥梁结构在地震中严重破坏或倒塌的例子很多。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, 减小桥梁结构的地震反应, 使桥梁的变形限制在弹性范围, 避免由于产生塑性变形而造成累积损伤破坏和永久残余变形, 这大大提高了桥梁结构的安全度;同时可以节约材料, 降低造价。型钢混凝土中的型钢除采用轧制型钢外, 还广泛使用焊接型钢, 常用的截面型式有H型、E型、T型等, 而采用矩形及圆钢管混凝土结构是在型钢混凝上结构、螺旋配筋混凝上结构以及钢管结构的基础上演变和发展起来的一种新型结构。