市政橋梁抗震設(shè)計初探

1、l建筑設(shè)計lCONSTRUCTION市政橋梁抗震設(shè)計初探吳軍民泰州市市政工程養(yǎng)護管理處江蘇泰州225300摘要：本文作者結(jié)合汶川大地震實例。分析了地震對市政橋梁造成的各種破壞與損失，探討了簡支粱橋和連續(xù)梁橋防震抗震的設(shè)計方案和措施，指出了在市政橋梁抗震設(shè)計中應(yīng)注意的問題，最后提出了強化市政橋粱抗震設(shè)計的建議。關(guān)鍵詞：市政市政橋梁；抗震設(shè)計；簡支梁橋；連續(xù)粱橋；減隔震設(shè)計前言我國是世界上的地震多發(fā)地帶。2008年5月12日14時28分04

2、秒，四川汶川發(fā)生了中華人民共和國自建國以來影響最大的一次地震，其所造成的損失巨大。位于震中的縣城附近的道路基礎(chǔ)設(shè)施受到嚴重破壞，市政橋梁破壞尤為嚴重，其市政橋梁結(jié)構(gòu)主要為簡支梁橋(含先簡支后橋面連續(xù))、連續(xù)梁橋和拱橋。本文作者綜合現(xiàn)場情況，主要對簡支梁橋和連續(xù)梁橋震害類型及抗震設(shè)計做簡要分析。1落梁破壞11市政橋梁結(jié)構(gòu)特點市政橋梁采用板式橡膠支座，梁體直接擱置在支座上。在汶川地震中。百花大橋第5聯(lián)即5m一20m連續(xù)梁整體傾覆、落梁，完全

3、破壞。12震害原因(1)支承連接部件失效，固定支座強度不足，活動支座位移量不夠，橡膠支座梁底與支座底發(fā)生滑動，在地震力作用下支座破壞，致使梁體發(fā)生位移導(dǎo)致落梁。(2)墩臺支承寬度不能滿足防震要求。防落梁措施設(shè)計不合理，在地震力作用下，梁、墩臺間出現(xiàn)較大相對位移，導(dǎo)致落粱。(3)伸縮縫和擋塊強度不足，在地震力作用下，伸縮縫遭到碰撞破壞和擠壓破壞，擋塊剪切也遭到破壞，使其起不到應(yīng)有的作用。導(dǎo)致落梁。13抗震設(shè)計有效措施(1)采用板式橡膠支座

4、的市政橋梁，如果蓋梁擋塊在地震中遭破壞，其可以有效減少下部結(jié)構(gòu)所受地震力，但對于這種類型的市政橋梁，抗震設(shè)計的關(guān)鍵是怎樣采用合理的粱體限位裝置，設(shè)置足夠的梁墩合理搭接長度，使梁體位移控制在不發(fā)生落梁的范圍內(nèi)，同時又不增加墩柱地震力。(2)在高烈度地震區(qū)，盡可能地采用整體性和規(guī)則性較好的市政橋梁結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、質(zhì)量和剛度力求均勻、對稱、規(guī)則，避免突變的出現(xiàn)；從幾何線性上看，盡量選用直線市政橋梁。(3)選擇合理的連接形式對市政橋梁

5、抗震性能十分重要。對于高墩市政橋梁，建議采用上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)有選擇性的剛性連接(固結(jié)方式)；對于矮墩市政橋梁，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)連接建議采用支座連接方式，并合理設(shè)置梁墩的搭接長度。2墩柱的破壞21破壞形式此類破壞多發(fā)生在墩柱塑性鉸處、墩柱與蓋梁連接處及墩柱與系梁連接處，在地震力作用下橋墩縱向受力筋被剪斷，直接導(dǎo)致市政橋梁傾覆。22震害原因(1)墩柱延性不足(抗彎破壞)，橫向約束箍筋配置不足；構(gòu)造缺陷：橫向約束箍筋間距過大，搭接失效縱筋

6、過早切斷，錨固長度不足，箍筋端部沒有彎鉤等。(2)抗剪強度不足(剪切破壞)，即橫向箍筋配置不足。23延性抗震設(shè)計(1)結(jié)構(gòu)延性定義，即結(jié)構(gòu)從屈服到破壞的后期變形能力，是結(jié)構(gòu)能量耗散能力的主要度量。(2)延性抗震設(shè)計的分類：上部、基礎(chǔ)彈性，墩柱延性設(shè)計；墩柱、基礎(chǔ)彈性，上部結(jié)構(gòu)延性(鋼橋)；墩柱、基礎(chǔ)、下部結(jié)構(gòu)彈性，支座彈縮性—減隔震設(shè)計。(3)墩柱結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。墩柱潛在塑性鉸區(qū)域內(nèi)加密箍筋的配置：其一，加密區(qū)的長度為彎曲方向截面寬度的l

7、倍，超過最大彎矩80％的范圍；其二，加密箍筋的最大間距為10cm；其三，箍筋的直徑不應(yīng)小于lOmm；其四，螺旋式箍筋的接頭必須采用對接，矩形箍筋應(yīng)有1350的彎鉤，并深入核心混凝土之內(nèi)6cm以上；其五，加密氏箍筋肢距為25cm；其六，墩柱的縱筋應(yīng)盡可能延伸至蓋梁或承臺的另一側(cè)面塑性鉸加密區(qū)域的箍筋應(yīng)該延續(xù)到蓋梁和承臺內(nèi)，延伸到蓋梁和承臺的距離不應(yīng)小于墩柱長邊尺寸的l／2，并且不小于50cm。3基礎(chǔ)和樁身破壞31破壞形式及震害原因橋位通過

8、地震斷裂破碎帶，地震力作用下基礎(chǔ)出現(xiàn)移位、沉降；橋位位于液化砂土地質(zhì)中，基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降。32抗震設(shè)計有效措施基礎(chǔ)應(yīng)盡可能建在巖石或堅硬沖積土上，軟土和砂土易于放大結(jié)構(gòu)的位移影響，且軟土有震陷、飽和砂土有液化等地質(zhì)地震災(zāi)害。4減隔震設(shè)計(1)地震力的作用是巨大的，我們在市政橋梁抗震設(shè)計中一般會采用兩種途徑去減輕市政橋梁震害：傳統(tǒng)抗震設(shè)計和減隔震設(shè)計。傳統(tǒng)抗震設(shè)計是增大構(gòu)件斷面及配筋，致使結(jié)構(gòu)剛度增大，達到減輕震害的目的；而減隔震設(shè)計是

9、采用柔性支承延長結(jié)構(gòu)周期，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)；采用阻尼器裝置耗散能量，限制結(jié)構(gòu)位移，保證結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下具有足夠的剛度。(2)減隔震技術(shù)隨著科技的發(fā)展以及新材料的應(yīng)用，越來越多地被應(yīng)用在市政橋梁抗震設(shè)計中，但它只適用于以下條件：上部結(jié)構(gòu)連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)剛度較大，結(jié)構(gòu)基本振動周期比較短；市政橋梁下部結(jié)構(gòu)高度變化不規(guī)則，剛度分配不均勻；場地條件比較好，預(yù)期地面運動特性具有較高的卓越頻率。在此注意，支座中出現(xiàn)負反力的情況下則不宜采用減隔震

10、設(shè)計。(3)減隔震裝置經(jīng)常采用如下幾種：整體型減隔震裝置包括鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、摩擦擺隔震支座；分離型減隔震裝置萬方數(shù)據(jù)包括橡膠支座金屬阻尼器、橡膠支座黏性材料阻尼器、橡膠支座摩擦阻尼器。5市政橋梁抗震設(shè)計注意事項(1)盡量將橋軸線設(shè)計成直線，曲線橋使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)復(fù)雜化；盡可能使橋臺和橋墩與軸線垂直，斜交會引起轉(zhuǎn)動響應(yīng)而增大位移。(2)沿縱、橫橋向的橋墩剛度盡可能一致，如剛度變化太大，地震時剛性大的橋墩易產(chǎn)生破壞。(3)塑性鉸

11、不應(yīng)設(shè)計在蓋梁、主梁、水中或地下的樁頂處，設(shè)計在墩柱上易于觀察與修復(fù)。(4)材料和結(jié)構(gòu)形式的選擇應(yīng)遵循如下的原則：質(zhì)輕高強，變形能力大，強度和剛度衰減小，結(jié)構(gòu)整體性好。單從材料的抗震性能優(yōu)劣來劃分依次為：鋼結(jié)構(gòu)，鋼砼組合結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋砼，預(yù)制鋼筋砼，預(yù)應(yīng)力砼，砌體。(5)設(shè)置多道抗震防線，盡可能用超靜定結(jié)構(gòu)，少采用靜定結(jié)構(gòu)。(6)防止脆性與失穩(wěn)破壞。增加結(jié)構(gòu)延性。常見的脆性破壞包括磚、石、素砼的開裂和鋼筋砼的剪切破壞；常見的失穩(wěn)

12、破壞包括斜撐和柱的失穩(wěn)以及柱中縱向鋼筋在箍筋不足時的壓屈。6市政橋梁抗震設(shè)計的建議第一，由于地震的不確定性，導(dǎo)致市政橋梁結(jié)構(gòu)抗震計算的失真。地震運動是由震源—傳播介質(zhì)體—場地地質(zhì)體等一系列的變化因素綜合形成，它是極為復(fù)雜的和不確定的模糊事件。市政橋梁結(jié)構(gòu)的抗震計算嚴格來說是近似仿真計算，與實際的震害有一定的差距。抗震計算與抗震概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)體系的選擇、抗震構(gòu)造設(shè)計相比較，后三者更顯重要。第二，應(yīng)盡量采用連續(xù)的橋跨代替簡支梁，進而減少伸縮

13、縫的數(shù)量，降低在此落粱的可能性。同時也提高了橋上行車的舒適性。第三，對常規(guī)的簡支市政橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)加強橋面的連續(xù)構(gòu)造以及提供足夠的寬度，以防止主梁發(fā)生位移落梁；另外還應(yīng)適當?shù)丶訉挾张_頂蓋梁及支座的寬度，并增設(shè)防止位移的隔擋裝置。第四，市政橋梁位置應(yīng)選在良好和穩(wěn)定的河段，如果必須在穩(wěn)定性差的軟弱場地的河段通過，應(yīng)盡量采用市政橋梁中線與河流正交，注意在河槽與河灘分界的地形突變處盡量避免設(shè)墩，否則應(yīng)予以加強措施。以減免滑移。第五。對采用橡膠支座而

14、無固定支座的橋跨，應(yīng)加設(shè)防移角鋼或設(shè)擋軌，作為支座的抗震設(shè)計。第六。市政橋梁結(jié)構(gòu)以采用跨度相等、下部墩身剛度大致相等為宜。第七，否則軟土的液化會加大地震反應(yīng)。第八，橋跨宜短而不宜太長，大跨度意味著墩柱承受的軸向力過大，從而降低墩柱的延性能力。第九，墩柱設(shè)計中應(yīng)盡可能地使用螺旋形箍筋，以便為墩柱提供足夠的約束。另外墩身及基礎(chǔ)的縱向鋼筋伸入蓋梁和承臺應(yīng)有一定的錨固長，以增強連接點的延性。第十，對于較高的排架橋墩，墩間應(yīng)增設(shè)橫系梁，以減少墩柱

15、的橫向位移和設(shè)計彎矩。第十一，重視市政橋梁的減隔震設(shè)計，采用新技術(shù)、新材料，實現(xiàn)市政橋梁的抗震設(shè)計，比如減隔震支座，即雙曲面(球面)支座、鉛芯橡膠支座、阻尼器等。7結(jié)語市政橋梁結(jié)構(gòu)有效的抗震措施還有許多，因此我們在市政橋梁設(shè)計過程中須認真分析和了解結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和特性，精心設(shè)計并采取一系列有效的抗震措施。市政橋梁抗震設(shè)計是一項系統(tǒng)工程。體現(xiàn)在設(shè)計的各個階段，需要認真對待。_●(上接9327頁)以提高塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動能力，規(guī)范限制軸壓比與

16、縱筋最大配筋率，同時對混凝土受壓區(qū)高度也提出相應(yīng)要求。23加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距是很重要的一點，為保證強節(jié)點、強柱弱梁、強底層柱底和強剪弱彎的設(shè)計原則及塑性鉸區(qū)域的局部延性，有必要加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距，這不但可提高柱端抗剪能力，還可約束核心區(qū)內(nèi)混凝土，對縱向鋼筋提供側(cè)向支承，防止大變形下縱筋壓曲，從而改善塑性鉸區(qū)域的局部延性。規(guī)范對約束區(qū)縱筋的最小直徑、最大問距、塑性鉸區(qū)域的最小長度等做出了詳細的規(guī)定，并對箍筋肢距及箍筋形式提出了

17、相應(yīng)要求。隨著T程應(yīng)用中箍筋強度和混凝土強度不斷提高，對塑性鉸區(qū)域內(nèi)箍筋布置的要求是抗震構(gòu)造措施的一個重要方面，這一情況將導(dǎo)致高強度混凝土中約束箍筋配筋率的減少而降低結(jié)構(gòu)的設(shè)計可靠度，建議以配筋特征值代替原體積配筋率，同時鑒于約束配筋對柱端塑性鉸區(qū)的良好約束作用，建議適當增大配筋量。總結(jié)：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國城市建設(shè)中大量存在的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。通過對往年的地震災(zāi)害損失數(shù)據(jù)研究表睨：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點與柱端的破壞較為嚴重，所以

18、在這些結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中必須滿足強剪弱彎、強柱弱梁、強節(jié)點、強底層柱底等延性設(shè)計原則。在鋼筋混凝土建筑抗震設(shè)計的實踐中。由于地Ⅸ的不同和設(shè)計人員對規(guī)范的理解和掌握尺度的不同，造成建筑的結(jié)構(gòu)布置以及計算方法上相互差異較多，在設(shè)計上也會產(chǎn)生較多的爭議，因此抗震設(shè)計方法還需要深入研究。參考文獻：f1】李鴻晶，宗德玲關(guān)于工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標準的幾個問題的討論陰防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2003【2】宋天齊關(guān)于8度區(qū)多層磚房最多層數(shù)的商榷陰工程抗震，1998