浅谈桥梁的抗震设计与措施

2010-08-15周香平

黑龙江交通科技 2010年7期

关键词：延性震动支座

周香平

(石家庄市张石高速筹建处)

1 地震对桥梁的破坏作用

地震是自然界中一种突发性的严重灾害,具有典型的偶然性和短暂性。地震对地面构筑物的破坏作用,从破坏的性质和工程对策的角度大体可分为场地和地基的破坏作用、场地的震动作用。

1.1 场地和地基的破坏作用

当地震发生时,首先是场地和地基破坏,从而产生桥梁破损并引起其他灾害。场地和地基的破坏作用,大致有地面破裂、滑坡和坍塌,地基失效等几种类型。这种破坏作用,对位于斜坡地貌及软弱土质地基上的桥梁工程影响较大。

地震发生后,桥梁的破坏形式一般表现为以下几种。

(1)桥台锥体、墩周铺护开裂,甚至滑移。

(2)墩台身位移,支座锚栓剪断,严重时产生落梁现象。

(3)砂土液化,桥墩下沉。

(4)墩台身开裂,严重时桥梁倒塌。

1.2 场地的震动作用

场地的震动作用,是指由于强烈的地面运动引起桥梁的振动而产生的破坏作用。强烈的地面震动是引起桥梁破坏的最普遍和最主要的原因。同时也是引发其他地震破坏如地基失效、滑坡和坍塌等的外部条件。

2008年发生的“5· 12”汶川大地震所造成道路、桥梁和其他城市基础设施的损失巨大,位于震中的汶川县附近道路基础设施受到严重破坏,桥梁震害最为典型和严重,其影响范围大、波及范围广历史罕见,而桥梁结构作为生命线工程的重要组成部分,在抗震中显得意义非常重大。

2 桥梁抗震设计思想

建于高烈度地震区的桥梁,可能遭受地震破坏,因此,必须考虑抗震设防。抗震设防的目标是“小震不坏,中震可修,大震不倒”。即按多遇地震、设计地震、罕遇地震对桥梁进行多水准设防。我国的抗震设防烈度采用《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)附录D规定的地震基本烈度值。一般情况下,抗震设计按“地震动峰值加速度”和“地震动反应谱特征周期”进行抗震验算,并按“抗震设防烈度”要求采取相应的抗震措施。

汶川大地震影响范围大,破坏力极强,地震发生后,国家地震局、交通运输部及时调整了四川震区未来 50年超越概率为 10%的地震动峰值区划图,作为灾后地震评价的规划用图之一。该区划图全面提升了震区大部分地区的地震动峰值,原有桥梁抗震设防等级已不适应新规划图要求,有专家提出“修旧如旧”的原则,即对于既有桥梁,不提高其设防等级,对于新建桥梁,按新地震动峰值进行抗震设计,提高桥梁抗震设防等级,以使新建桥梁能够抵抗高烈度的地震破坏。

3 桥梁抗震设计原则

(1)桥梁抗震设计在多级设防标准的要求下,对结构强度、延性变形、结构控制、结构整体稳定也要求在多级设防的原则下进行抗震设计。

(2)对桥梁抗震性加以分析研究,某类结构不能在地震区内修建。在分析研究原有结构抗震性能的基础上,应提出更能适应地震作用的结构型。其次,对结构抗震设计不是被动地作为地震作用时结构强度、变位的验算,而是要从设计角度,提高结构的防震能力,要系统考虑结构的行为能力设计。

(3)针对目前大量高架桥倒塌毁坏的教训,必须开展对抗震支座、各种型式桥墩的延性研究,要利用约束混凝土的概念提高它的延性。不但对钢筋混凝土、预应力混凝土,而且对高强混凝土结构、混合结构的延性都需展开研究。

(4)结合我国国情,研究结构控制的有效型式,加强抗震措施。必须采用“以柔克刚”的设想来考虑地震区结构抗震设防的出发点,改变单纯的“以刚克刚”的旧传统设防观点。对地裂、地面锗动、边坡倒塌、沙土液化时桥梁结构如何抗震设防也应该作深入的研究。

4 桥梁抗震设计措施

在桥位选择、桥孔布设、桥梁结构体系的选择、桥型布置、路线走向以及桥梁结构细部设计中可以采取以下措施以达到结构防震、减少震害的效果。

4.1 总体设计中应注意的问题

(1)桥位选择。

选择桥址时,桥梁位置应选在良好和稳定的河段,应避开地震时可能发生地基失效的松软场地,选择坚硬场地。如果必须在稳定性差的软弱场地上河段通过时,应尽量采用桥梁中线与河流正交,这样即使地震产生河岸滑移,影响也较小;若采用斜交,地震时极易产生河岸向河心滑移,会使桥梁随之发生错动或扭转破坏。拱桥应尽量避免跨越断层,特殊困难情况下应进行地震安全性评价。

(2)桥型选择。

桥梁应结合地形、地质条件、工程规模及震害经验,选择合理的桥型及墩台、基础型式。宜尽可能采用技术先进、经济合理、便于修复加固的结构体系。可以考虑采用减震的新结构,比如型钢混凝土结构等。

(3)桥孔布置。

桥孔宜选用有利于抗震的等跨布置,并尽量避免高墩与大跨的结合。宜体形简单、自重轻、刚度和质量分布均匀、重心低、便于施工。位于地震后可能形成泥石流沟谷上的桥梁,孔跨和桥下净高宜根据流域内的地形、地质情况酌情加大。

4.2 桥梁抗震构造措施

(1)对常规的简支桥梁结构应加强桥面的连续构造,以及需提供足够的加固宽度以防止主梁发生位移落梁,另外还应适当的加宽墩台顶盖梁及支座的宽度,并增设防止位移的隔挡装置。对采用橡胶支座而无固定支座的桥跨,应加设防移角钢或设挡轨,作为支座的抗震设计。

(2)在地震区的桥梁结构以采用跨度相等、每联连续跨内下部墩身刚度相等为宜。跨度不均,墩身刚度不等极易发生震害。对各墩高度相差较大的情况可采用调整墩顶支座尺寸和桩顶设允许墩身位移的套筒来调整各墩的刚度,以便使之刚度尽量保持一致。地震区桥跨不宜太长,大跨度意味着墩柱承受的轴向力过大,从而降低墩柱的延性力。

(3)对高烈度区的桥梁设计应在纵向设置一定的消能装置,如采用减、隔震支座,以及在梁体和墩台的连接处增加结构的柔性和阻尼以便共同受力和减小水平桥梁荷载。

(4)由于拱桥对支座水平位移十分敏感,而两边桥台的非同步激振会引起较大的伪静力反应,有时甚至会大于惯性力所引起的动力反应,因此要求震区的拱桥墩台基础务必设置于整体岩盘或同一类型的场址以保证震时各支座的同步激振。

(5)桥梁的基础应尽可能的建在可靠的地基上,应加强基础的整体性和刚度,同时采取减轻上部荷载等相应措施,以防止地震引起动态和永久的不均匀变形。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人较稳定密实的土层内一定深度。并在桩的上部,离地面 1～3m的范围内加强钢筋布设。

(6)墩柱设计中应尽可能的使用螺旋形箍筋,以便为墩柱提供足够的约束。另外墩身及基础的纵向钢盘伸入盖梁和承台应有一定的锚固长度以增强连接点的延性,并且,桥墩基脚处应有足够的抵抗墩柱弯矩与剪切力的能力,不允许有塑性铰接。

(7)采用将桥墩某些部位设计成具有足够的延性,以使在强震作用下使该部位形成稳定的延性塑性铰,并产生弹塑性变形来延长结构的振动周期,耗散地震力。

(8)采用上部结构和桥墩完全连接的刚构体系,并且桩尖穿过可液化层达到坚硬土层上,由于结构的超静定次数增大和坚实的桩尖承载能力的保证,减少了由于土壤变形而失效的可能性。