橋梁抗震設(shè)計(jì)及抗震加固技術(shù)探討

　　摘要：本文結(jié)合大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì),提出了在橋梁抗震設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循的一些設(shè)計(jì)原則與措施,以提高橋梁結(jié)構(gòu)的防震和抗震效果。

　　關(guān)鍵詞：橋梁抗震設(shè)計(jì)，抗震加固技術(shù)

　　引言

　　隨著我國現(xiàn)在化城市和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,交通線路的重要性越加突出,公路交通是國民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈,同時(shí),也是抗震救災(zāi)生命線工程之一。橋梁工程是公路工程的咽喉要道,在保障公路通暢中起著至關(guān)重要的作用。而一旦地震使交通線路癱瘓,將會(huì)給國家和人民帶來極大的損失和不便。大跨度橋梁是交通運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵樞紐,對(duì)其進(jìn)行有效的抗震設(shè)計(jì),確保其抗震安全性意義深遠(yuǎn)。

　　一、大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)發(fā)展

　　大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的工作,反應(yīng)比較復(fù)雜,相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。目前,國內(nèi)外現(xiàn)有的大多數(shù)橋梁工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范只適用于中等跨徑的橋梁,超過使用范圍的大跨度橋梁則無規(guī)范可循。我國公路大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范仍在初步階段,存在許多需要進(jìn)一步解決的問題。近年來,美國、日本等一些國家的地震工程專家提出了分級(jí)設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)思想,一般可概括為:小震不壞、中震可修、大震不倒。我國《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定地震烈度7度以上地區(qū)的新建橋梁都必須抗震設(shè)防。其中,最主要的建議是要采用兩水平的抗震設(shè)計(jì)方法,即要求結(jié)構(gòu)在兩個(gè)概率水平的地震作用下,分別達(dá)到兩個(gè)不同的性能標(biāo)準(zhǔn)。

　　二、抗震設(shè)計(jì)

　　“小震不壞,中震可修,大震不倒”的分類設(shè)防抗震設(shè)計(jì)思想已廣為接受,而能力設(shè)計(jì)思想也越來越廣泛地被國內(nèi)外專家學(xué)者所接受。能力設(shè)計(jì)思想要求在一座橋梁內(nèi)部建立合理的強(qiáng)度級(jí)配,以保證地震破壞只發(fā)生在預(yù)定的部位,而且是可控制的。具體來說,要選擇理想的塑性鉸位置并進(jìn)行仔細(xì)的配筋設(shè)計(jì)以保證其延性抗震能力;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。大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)分兩階段進(jìn)行:1)在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì),選擇一個(gè)較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系;2)在初步或技術(shù)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì),并根據(jù)能力設(shè)計(jì)思想進(jìn)行抗震能力驗(yàn)算,必要時(shí)進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

　　1、抗震概念設(shè)計(jì)

　　對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)來說,“概念設(shè)計(jì)”比“計(jì)算設(shè)計(jì)”更為重要。正是由于地震發(fā)生的不確定性和復(fù)雜性,再加上結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的假定與實(shí)際情況的差異,使“計(jì)算設(shè)計(jì)”很難控制結(jié)構(gòu)的抗震性能,因而不能完全依賴計(jì)算。結(jié)構(gòu)抗震性能的決定因素是良好的“概念設(shè)計(jì)”。因此,在橋梁的方案設(shè)計(jì)階段,不能僅僅根據(jù)功能要求和靜力分析就決定方案的取舍,還應(yīng)考慮橋梁的抗震性能,盡可能選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系。在抗震概念設(shè)計(jì)時(shí),為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和抗震安全性,要特別重視上、下部結(jié)構(gòu)連接部位的設(shè)計(jì),橋墩形式的選取,過渡孔處連接部位的設(shè)計(jì)以及塑性鉸預(yù)期部位的選擇。通常允許橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下進(jìn)入塑性工作狀態(tài),在預(yù)期的部位形成塑性鉸以耗散能量,但不允許出現(xiàn)脆性破壞,如剪切破壞。為了保證所選擇的結(jié)構(gòu)體系在橋址處的場(chǎng)地條件下確實(shí)是良好的抗震體系,必須進(jìn)行簡單的分析(動(dòng)力特性分析和地震反應(yīng)評(píng)估),然后結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位,并

　　進(jìn)一步分析是否能通過配筋或構(gòu)造設(shè)計(jì)保證這些部位的抗震安全性。最后,根據(jù)分析結(jié)果綜合評(píng)判結(jié)構(gòu)體系抗震性能的優(yōu)劣,決定是否要修改設(shè)計(jì)方案。

　　2、延性抗震設(shè)計(jì)

　　橋梁的延性抗震設(shè)計(jì)應(yīng)分兩個(gè)階段進(jìn)行:1)對(duì)于預(yù)期會(huì)出現(xiàn)塑性鉸的部位進(jìn)行仔細(xì)的配筋設(shè)計(jì);2)對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震能力分析驗(yàn)算,確保其抗震安全性。這兩個(gè)階段可以反復(fù),直到通過抗震能力驗(yàn)算,或進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)以提高抗震能力。

　　3、橋梁減、隔震設(shè)計(jì)

　　減、隔震技術(shù)是簡便、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的工程抗震手段。減、隔震裝置是通過增大結(jié)構(gòu)主要振型的周期使其落在地震能量較少的范圍內(nèi)或增大結(jié)構(gòu)的能量耗散能力來達(dá)到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和場(chǎng)地地震波的頻率特性,通過選用合適的減隔震裝置、相應(yīng)參數(shù)以及設(shè)置方案,合理分配結(jié)構(gòu)的受力和變形。一方面,應(yīng)將重點(diǎn)放在提高吸收能量能力從而增大阻尼和分散地震力上,不可過分追求加長周期。另一方面,應(yīng)選用作用機(jī)構(gòu)簡單的減、隔震體系,并在其力學(xué)性能明確的范圍內(nèi)使用。減、隔震設(shè)計(jì)的效果,需

　　要進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析來驗(yàn)證。

　　大量研究表明,最適宜進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)的情況主要有:

　　1)橋梁墩柱較剛性,即自振周期較小;

　　2)橋梁很不規(guī)則,如墩柱的高度變化較大,有可能導(dǎo)致受力不均勻;

　　3)預(yù)測(cè)的場(chǎng)地地震運(yùn)動(dòng)的能量主要集中在高頻分量,而低頻分量的能量較少(淺震、近震、巖石地基)。因此,要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和場(chǎng)地震動(dòng)特點(diǎn)決定是否要進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì),以及采取什么減、隔震裝置。

　　近年來國內(nèi)外學(xué)者提出在橋梁結(jié)構(gòu)中設(shè)置粘滯阻尼器來改善結(jié)構(gòu)的抗震性能,已在多座橋梁中得以應(yīng)用。有研究表明:將隔震支座與粘滯阻尼器組合使用既能減小結(jié)構(gòu)地震力,又能有效地控制梁體位移及墩、梁相對(duì)位移。

　　三、抗震加固技術(shù)

　　在決定一座橋梁是否如何加固以前,應(yīng)先評(píng)估其抗震能力。主要是先決定墩柱的破壞形式及墩柱的最大延性能力,其次計(jì)算整體屈服的地震加速度及整體的最大延性能力,最后算出橋梁的抗震能力Ac值。

　　1、橋梁震害介紹

　　從我國歷次破壞地震中,調(diào)查得到的公路橋梁震害產(chǎn)生的主要原因有以下幾類:

　　(1)支承連接件失效———由于上下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了支承連接件不能承受的相對(duì)位移,使支承連接件失效,上部與下部結(jié)構(gòu)脫開,導(dǎo)致梁體墜毀。由于落梁的強(qiáng)烈沖擊力,下部結(jié)構(gòu)將遭受嚴(yán)重破壞。支承連接件失效的原因,主要是設(shè)計(jì)低估了相鄰跨之間的相對(duì)位移。為了解決這個(gè)問題,目前國內(nèi)外的通常做法是增加支承面寬度和在簡支的相鄰梁之間安裝縱向約束裝置。

　　(2)下部結(jié)構(gòu)失效———主要是指橋墩和橋臺(tái)失效。橋墩和橋臺(tái)如果不能抵抗自身的慣性力和由支座傳遞來的上部結(jié)構(gòu)的地震力,就會(huì)開裂甚至折斷,其支承的上部結(jié)構(gòu)也將遭受嚴(yán)重的破壞。

　　鋼筋混凝土柱式橋墩大量遭受嚴(yán)重?fù)p壞,是近期橋梁震害的一個(gè)特點(diǎn)。其原因主要是橫向約束箍筋數(shù)量不足和間距過大,因而不足以約束混凝土和防止縱向受壓鋼筋屈曲。目前的解決辦法是通過能力設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì),使橋梁的屈服只發(fā)生在預(yù)期的塑性鉸部位,其余結(jié)構(gòu)保持彈性。

　　(3)軟弱地基失效———如果下部結(jié)構(gòu)周圍的地基易受地震震動(dòng)而變?nèi)?下部結(jié)構(gòu)就可能發(fā)生沉降和水平移動(dòng)。如砂土的液化和斷層等,在地震中都可能引起墩臺(tái)的毀壞。地基失效引起的橋梁結(jié)構(gòu)破壞,有時(shí)是人力所不能避免的,因此在橋梁選址時(shí)就應(yīng)該重視,并設(shè)法加以避免。如果無法避免時(shí),則應(yīng)考慮對(duì)地基進(jìn)行處理或采用深基礎(chǔ)。

　　2、研究現(xiàn)狀

　　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震害;

　　(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。例如采用鉛芯橡膠耗能支座等。對(duì)隔震而言,利用周期、阻尼與位移等相依變量進(jìn)行參數(shù)分析,配合加固目標(biāo)的訂定,最后提出結(jié)合位移設(shè)計(jì)法的隔震裝置加固設(shè)計(jì)程序。隔震裝置的分析采用鉛芯橡膠支座(LRB)以及摩擦單擺支座(FPS)兩種。對(duì)減震而言,亦可結(jié)合位移設(shè)計(jì)法進(jìn)行減震加固設(shè)計(jì)。可使用替代結(jié)構(gòu)法,將結(jié)構(gòu)以等效勁度及等效阻尼比以線性迭代的方式來進(jìn)行粘滯性阻尼器的加固設(shè)計(jì)。

　　3、發(fā)展趨勢(shì)

　　從橋梁震害調(diào)查中發(fā)現(xiàn),遭受嚴(yán)重破壞和倒塌的橋梁結(jié)構(gòu),絕大部分是源于落梁和抗彎延性不足。因此,國外主要的多震國家,開始強(qiáng)調(diào)橋梁結(jié)構(gòu)整體的延性能力,其它一些國家則在原有規(guī)范的基礎(chǔ)上,也相應(yīng)地對(duì)保證橋梁結(jié)構(gòu)整體的延性能力,并通過設(shè)計(jì)和構(gòu)造保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體延性能力。為了保證結(jié)構(gòu)的整體延性能力,目前通常的做法是增加防落梁構(gòu)造措施和在預(yù)期出現(xiàn)塑性鉸的關(guān)鍵部位增加橫向約束,以提高橋墩的抗彎延性和抗剪強(qiáng)度。從加固的對(duì)象上來看,美國、日本等橋梁抗震加固水平最高的國家,已經(jīng)把加固的重點(diǎn)從以前單一的防落梁構(gòu)造措施,轉(zhuǎn)移到重視橋墩整體延性上來,以保證加固后的橋梁與新建橋梁的抗震能力相當(dāng)。國內(nèi)外地震工程研究人員總結(jié)了近年來國內(nèi)外的震害資料,開始檢討過去單純“強(qiáng)度抗震”設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想,研究考慮基于性能的抗震設(shè)計(jì)原則�；�于性能的設(shè)計(jì)被廣泛的認(rèn)為是未來結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基本思想。抗震設(shè)計(jì)的性能指標(biāo),可以是單一指標(biāo),也可以是多指標(biāo)或組合指標(biāo)。在研究手段方面,整個(gè)抗震工程學(xué)都出現(xiàn)了越來越重視和依靠地震模擬試驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)。應(yīng)該注意到現(xiàn)在的試驗(yàn)已經(jīng)不再是傳統(tǒng)意義上的簡單試驗(yàn),而是和現(xiàn)代科技融為一體的高科技試驗(yàn).

　　四、結(jié)語

　　隨著對(duì)地震機(jī)理認(rèn)識(shí)的逐步加深,提高和完善橋梁結(jié)構(gòu)物的各項(xiàng)功能,以及橋梁抗震構(gòu)造措施進(jìn)一步的改進(jìn)和完善,可以很好地達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)的防震和抗震效果。而橋梁抗震加固技術(shù)研究已經(jīng)有了較好的基礎(chǔ),建議針對(duì)我國公路橋梁的特點(diǎn),得出適合于我國公路橋梁的抗震加固技術(shù),并推廣應(yīng)用,為提高我國公路橋梁的抗震性能和抵御地震災(zāi)害的能力提供可靠的技術(shù)保證。