探討橋梁工程抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題
2015-05-27
前言
地震災(zāi)害瞬間造成山崩地裂，房倒屋塌，對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成極大的破壞和影響，甚至威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，是世界性的自然災(zāi)害之一。我國(guó)處于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯部位，地震頻發(fā)，是世界上遭受地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。如2013年4月，四川雅安大地震，震中蘆山縣龍門(mén)鄉(xiāng)99%以上房屋垮塌，停水停電，衛(wèi)生院、住院部停止工作。山西省地處汾渭地震帶上，歷史上關(guān)于大型的地震災(zāi)害也有記載，防震減災(zāi)同樣不容忽視。
地震對(duì)道路橋梁的破壞相當(dāng)大。汶川地震后，由于路堤破壞，道路毀損，造成交通中斷，對(duì)災(zāi)害救援工作造成了極大的困難，本文通過(guò)對(duì)汶川震后公路橋梁的震害分析，并說(shuō)明了公路橋梁抗震設(shè)計(jì)的建議。
1、橋梁震害及分析
在汶川地震中，橋梁震害主要有以下幾種類型：
1）橋梁上部結(jié)構(gòu)震害，在地震中，橋梁上部結(jié)構(gòu)的震害主要有以下幾種類型：
a.自身震害，主要是橋梁自身的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生的局部屈曲破壞。
b.移位震害（見(jiàn)圖1），是一種破壞性地震中極為常見(jiàn)的震害形式，多發(fā)生在伸縮縫設(shè)置的位置，一般表現(xiàn)為橋梁的上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)縱（橫）向移位或扭轉(zhuǎn)移位。
c.碰撞震害，包括相鄰跨上部結(jié)構(gòu)的碰撞、上部結(jié)構(gòu)與橋臺(tái)的碰撞以及鄰梁間的碰撞等。
2）橋梁支座震害
在橋梁結(jié)構(gòu)中，橋梁支座本身就是抗震性能比較薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)生的破壞性地震橋梁震害統(tǒng)計(jì)表明，支座的破壞比較普遍，主要表現(xiàn)為：支座發(fā)生位移、錨固螺栓拔出、剪斷、脫落等。其主要原因有：支座設(shè)計(jì)中，沒(méi)有充分考慮到抗震的性能要求；在施工中，支座連接與支擋等措施不足；使用的支座類型選擇或是支座材料本身的缺陷等。
3）橋梁下部結(jié)構(gòu)震害
在地震中，橋梁下部結(jié)構(gòu)的震害主要有以下幾種類型：
a.墩柱的彎曲破壞，是一種常見(jiàn)的橋梁震害形式，主要表現(xiàn)為墩柱混凝土開(kāi)裂、剝落壓潰、鋼筋裸露和彎曲等，同時(shí)產(chǎn)生很大的塑性變形。其主要原因是在墩柱的施工中，由于約束箍筋配置不足、縱向鋼筋的搭接或焊接不牢等導(dǎo)致的延性能力不足而產(chǎn)生的。
b.框架墩的震害，包括剪切強(qiáng)度不足導(dǎo)致的剪切破壞、彎曲破壞以及鋼筋錨固長(zhǎng)度不足導(dǎo)致的破壞，主要表現(xiàn)為蓋梁破壞、墩柱破壞以及節(jié)點(diǎn)破壞等。節(jié)點(diǎn)破壞主要表現(xiàn)為剪切破壞。
c.橋臺(tái)震害，是一種常見(jiàn)的橋梁震害形式，包括地基喪失承載力導(dǎo)致的橋臺(tái)滑移、臺(tái)身與上部結(jié)構(gòu)的碰撞破壞和橋臺(tái)傾斜等。
4）基礎(chǔ)震害
在國(guó)內(nèi)外的許多地震中，橋梁基礎(chǔ)震害是一種比較常見(jiàn)的震害形式，包括地基失效、樁基剪切彎曲破壞、樁基設(shè)計(jì)不當(dāng)所引起的震害等。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汶川1657座公路橋梁中，1.6%的橋梁完全損毀，6.6%的橋梁嚴(yán)重破壞，9.0%的橋梁中等破壞，26.5%的橋梁輕微破壞，56.3%的橋梁未出現(xiàn)明顯震害。在汶川地震后，震區(qū)的道路橋梁遭到了全面破壞，極大的影響了救援的展開(kāi)，給國(guó)家、社會(huì)和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了極大的損失?？梢钥闯?，公路鐵路梁的抗震抗災(zāi)能力，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全有著直接的影響。
如何降低和減少橋梁震害，是我國(guó)公路建設(shè)者需要面對(duì)的一個(gè)難題。2008年8月，在鐵道學(xué)會(huì)召開(kāi)的“地震災(zāi)害對(duì)鐵路的影響及對(duì)策學(xué)術(shù)研討會(huì)”上，與會(huì)的專家普遍認(rèn)為：加強(qiáng)“減隔震技術(shù)”的應(yīng)用，對(duì)于降低橋梁震害具有重要意義，應(yīng)大力推廣使用“減隔震”的設(shè)計(jì)理念，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“抗震”設(shè)計(jì)理念。
3、增加橋梁抗震結(jié)構(gòu)的其他設(shè)計(jì)
橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)就是在橋梁強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及延性和吸收耗能等方面有一種最佳的選擇，實(shí)現(xiàn)橋梁“小震不壞、中震可修、大震不倒”的目的，應(yīng)結(jié)合橋梁的抗震類別、地質(zhì)條件、土壤條件等因素，通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用條件綜合比較后確定。還可以通過(guò)增加橋墩箍筋設(shè)置、增加橋臺(tái)強(qiáng)度、橋墩強(qiáng)度、橋墩的延性、增設(shè)連梁裝置等多種途徑來(lái)提高橋梁的抗震結(jié)構(gòu)。
4、對(duì)我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的建議
我國(guó)現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造措施和條文可執(zhí)行性等方面顯得落后許多。近十幾年發(fā)生在世界各地的大地震給橋梁結(jié)構(gòu)造成了重大破壞，同時(shí)也促進(jìn)了橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂工作。規(guī)范的修訂主要參考了近十幾年來(lái)的地震震害經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)借鑒了結(jié)構(gòu)抗震研究領(lǐng)域的最新研究成果。新規(guī)范的發(fā)展動(dòng)向有以下幾個(gè)方面：
?。?）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。這是橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的最基本問(wèn)題。過(guò)去的幾十年的時(shí)間里，研究者和工程師都提出分級(jí)抗震設(shè)防的原則：即小震不壞；中震發(fā)生有限的結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞；大震發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，但不產(chǎn)生嚴(yán)重的人員傷亡；而在可能襲擊工程場(chǎng)地最嚴(yán)重的地震作用下，結(jié)構(gòu)不倒塌。這些基本的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)今天被大多數(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)程所采用。但傳統(tǒng)的作法是，只針對(duì)單一的地震作用水平進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在的問(wèn)題是針對(duì)每一個(gè)目標(biāo)都結(jié)出相應(yīng)的具體設(shè)計(jì)程序。這樣一來(lái)，就需要對(duì)目前實(shí)際上還是單一水準(zhǔn)強(qiáng)度抗震設(shè)計(jì)原則進(jìn)行修訂，采用多水準(zhǔn)、多設(shè)防目標(biāo)和多階段的抗震設(shè)計(jì)原則。
?。?）構(gòu)造細(xì)節(jié)。橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的許多問(wèn)題目前還不能完全通過(guò)定量化方法加以解決。因此根據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)、概念設(shè)計(jì)和定性研究的結(jié)果提出構(gòu)造細(xì)節(jié)方面的要求，對(duì)保證橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全十分重要。美、歐等國(guó)家的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和準(zhǔn)則都已十分重視這一點(diǎn)。我國(guó)現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在這方面明顯不足，新編的《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》將特別注意這方面的問(wèn)題。
（3）延性和位移設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，即使考慮到延性和位移，也是通過(guò)強(qiáng)度指標(biāo)間接地實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到了位移在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的重要性，很多研究者和工程師建議在抗震設(shè)計(jì)中直接使用位移為設(shè)計(jì)參數(shù)，這樣就將形成多參數(shù)抗震設(shè)計(jì)方法：在這方面，各種非彈性反應(yīng)譜的研究和應(yīng)用工作一直在進(jìn)行。一些建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指南和準(zhǔn)則已經(jīng)引入了位移設(shè)計(jì)的概念和方法。
3、結(jié)語(yǔ)
目前地震雖然是不可控制的，但只要我們加強(qiáng)對(duì)橋梁震害及抗震機(jī)理的深入研究，在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中認(rèn)真分析地震時(shí)結(jié)構(gòu)的特征和反應(yīng)，精心采取一系列科學(xué)有效的抗震設(shè)計(jì)，制定先進(jìn)的抗震設(shè)防原則，嚴(yán)格控制工程質(zhì)量，就一定能將地震損失降到最小，并確保交通運(yùn)輸線路的暢通無(wú)限。
