淺談山區(qū)公路彎橋、斜橋、坡橋抗震設(shè)計(jì)

林 云，王清遠(yuǎn)

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都 610065)

1 山區(qū)各類(lèi)橋梁要有較強(qiáng)的抗震概念設(shè)計(jì)

1.1 剛度和質(zhì)量平衡

剛度和質(zhì)量平衡是山區(qū)橋梁抗震理念中最重要的一條。在山區(qū)公路中建議不采用簡(jiǎn)支梁，而做連續(xù)梁橋，或是采用幾跨先簡(jiǎn)支后連續(xù)成剛接，形成幾跨連成一聯(lián)的連續(xù)橋。對(duì)于連續(xù)梁橋，同一聯(lián)內(nèi)各橋墩的高度應(yīng)盡可能相近。對(duì)于因相鄰橋墩高度不同而導(dǎo)致剛度相差較大的情況，水平地震力在各墩柱之間的分配一般不理想，剛度大的墩將承受較大的水平地震力，影響了結(jié)構(gòu)的整體抗震能力。如果剛度扭轉(zhuǎn)中心和質(zhì)量中心偏離，上部結(jié)構(gòu)還將伴隨產(chǎn)生水平轉(zhuǎn)動(dòng)，增加了落梁和碰撞等破壞的機(jī)率。山區(qū)橋梁由于山谷兩側(cè)山體坡度較大，墩的高度往往相差懸殊，跨距不均勻，所以很容易造成剛度和質(zhì)量不平衡的情況。所以設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮橋梁的等跨徑、等橋?qū)挕⒌榷崭摺?/p>

在高低起伏的山區(qū)地形上采用連續(xù)梁形式代替簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，并通過(guò)護(hù)筒使每一聯(lián)內(nèi)各墩的有效墩高比較接近。護(hù)筒的直徑比墩直徑大，可滿(mǎn)足護(hù)筒中的墩身在地震力作用下自由變形。在墩柱高度相差很大的連續(xù)梁橋，可設(shè)置伸縮縫，每一聯(lián)在伸縮縫附近設(shè)置一墩，兩聯(lián)之間沒(méi)有傳力構(gòu)件，兩聯(lián)相對(duì)獨(dú)立，從而消除了兩聯(lián)剛度差異對(duì)剪力分配的影響。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及橋的造型

(1)山區(qū)橋梁地質(zhì)條件復(fù)雜，在特殊的橋梁設(shè)計(jì)中更應(yīng)該注意橋位的選擇。應(yīng)該盡量避免地震危險(xiǎn)地段，充分的利用地震有利地段，除了地質(zhì)條件以外，局部的工程地質(zhì)、水文條件、地基土質(zhì)等場(chǎng)地因素對(duì)于橋梁的震害也有很大的影響。所以山區(qū)橋梁的墩柱所在的地質(zhì)條件一定要勘測(cè)清楚。

(2)避免或減輕在地震作用下因地基變形或地基失效造成的破壞。地震作用會(huì)使土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，特別是一些土的承載力，很容易使地基失效，使橋梁產(chǎn)生嚴(yán)重的位移和下沉，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致橋梁的垮塌。最好是避開(kāi)失效的松軟場(chǎng)地，選擇堅(jiān)硬場(chǎng)地。在地基穩(wěn)定的條件下，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)與地基的震動(dòng)特性，力求避免共振。在軟弱的地基上，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用深基礎(chǔ)，并考慮基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)。

(3)提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度和延性，避免脆性破壞?！皬?qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固”在橋梁的設(shè)計(jì)中也是可以使用的，使結(jié)構(gòu)在地震中的表現(xiàn)不是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)支撐不足而破壞。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要力圖使從地基傳入結(jié)構(gòu)的震動(dòng)能量最小，并使結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度、剛度和延性，以防止不能容忍的破壞。剛度的選擇有利于控制橋梁的變形，延性主要提高結(jié)構(gòu)的耗能。但是要注意控制，以防止脆性破壞和非彈性破壞。

(4)加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的整體性。強(qiáng)烈的地震，荷載通過(guò)橋梁的各組成部分之間的相互連接來(lái)傳遞，并依靠各個(gè)組成部分本身的強(qiáng)度以及他們之間的連接作用來(lái)承擔(dān)。剛度不足和強(qiáng)度不足的部分，以及連接薄弱的部分往往會(huì)首先發(fā)生破壞，有時(shí)還會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)的整體破壞。

(5)山區(qū)橋梁的墩往往比較高，在地震作用下，墩頂位移比較大。諸如采用簡(jiǎn)支梁，在地震中很容易發(fā)生落梁破壞，采用連續(xù)梁情況會(huì)有所改善。如果墩梁固結(jié)，多余約束在強(qiáng)震中形成塑性鉸，可以大量耗能，對(duì)于抗震是非常有益的。斜橋橋墩傳遞給上部結(jié)構(gòu)的地震力與橋梁的軸線斜交，促使橋梁上部結(jié)構(gòu)平面轉(zhuǎn)動(dòng)。蓋梁的剪力鍵不足以抵御上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生落梁破壞。而且橋梁的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)加劇主梁間的碰撞，造成主梁和伸縮縫等構(gòu)件的破壞。

1.3 各部位的抗震措施選擇

1.3.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)抗震措施

橋梁震害后果通常表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)的縱橫位移導(dǎo)致相鄰梁體互相碰撞，上部結(jié)構(gòu)與橋臺(tái)的碰撞以及側(cè)傾和落梁。山區(qū)橋梁由于地形的限制，在伸縮縫處可能產(chǎn)生相鄰梁體的較大的相對(duì)位移，而且方向不確定，導(dǎo)致伸縮縫處梁體的碰撞，這對(duì)預(yù)防落梁、梁體碰撞等震害是很不利的，所以，在兩聯(lián)間設(shè)計(jì)縱、橫向的限位裝置十分必要。橫橋向的限位措施主要有剪力鍵和防震錨栓，縱向限位措施包括剪力鍵、防震錨栓、鏈索式和拉桿式限位器等。限位裝置應(yīng)允許梁體在小范圍內(nèi)自由移動(dòng)，該自由移動(dòng)范圍的大小一般以不影響支座的正常變形為宜。為減小碰撞力和碰撞損傷，限位器常在梁間和主梁與剪力鍵間設(shè)置橡膠等緩沖材料。限位器通過(guò)剪力鍵、PC 棒或鏈索等高強(qiáng)度構(gòu)件來(lái)限制梁體的極限相對(duì)位移。在沒(méi)有以上措施時(shí)，可留足墩臺(tái)蓋梁或墩帽的支撐寬度，保證橋跨在縱向位移不超出支座長(zhǎng)度，不發(fā)生落架的破壞;支座在地震中的抗剪承載力必須滿(mǎn)足要求，防止落架破壞。

1.3.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)的抗震措施

橋梁下部結(jié)構(gòu)的震害是由于受到較大水平地震力，瞬時(shí)反復(fù)振動(dòng)在相對(duì)薄弱的截面發(fā)生破壞而引起的，它是引起橋梁倒塌的主要原因。其破壞形式，高墩多為彎曲型，表現(xiàn)為混凝土開(kāi)裂、壓潰和主筋彎曲及箍筋松脫等;而粗矮墩由于剛性大，多為折斷狀態(tài)的脆性剪切破壞。提高這類(lèi)結(jié)構(gòu)的抗震能力不能僅靠提高強(qiáng)度來(lái)解決，而應(yīng)提高其結(jié)構(gòu)的延性，使其承受較大的塑性變形。橋墩盡可能采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其延性較好，空心截面的橋墩其延性?xún)?yōu)于實(shí)心截面的橋墩;為提高柱式墩縱橫向剛度，可適當(dāng)加大樁、柱直徑或采用雙排的柱式墩和排架樁墩，樁、柱間設(shè)置橫系梁等。在設(shè)計(jì)中，除重視鋼筋數(shù)量的合理配置外，應(yīng)避免在墩柱中過(guò)早切斷主筋。主筋宜對(duì)稱(chēng)布置，其間距不大于20 cm，至少每隔一根主筋宜用箍筋或拉筋固定。墩柱的箍筋間距對(duì)延性影響很大，間距越小延性越大，它能約束豎向主筋的屈曲，限止混凝土的橫向膨脹。

1.3.3 基礎(chǔ)抗震措施

地基失效是橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生震害的主要原因。震害調(diào)查表明，橋梁基礎(chǔ)置于基巖或堅(jiān)硬土層時(shí)，震害較輕。因此，要避免在不穩(wěn)定的地段修建橋梁，而應(yīng)盡可能將橋梁建造在巖石或均勻穩(wěn)定的堅(jiān)硬土層上。當(dāng)不可避免要在地基土較差的橋位處建橋時(shí)，則盡可能采用深基礎(chǔ)，并在樁的上部，離地面1～3 m 的范圍內(nèi)加強(qiáng)鋼筋布設(shè)。在構(gòu)造上，要加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛度，同時(shí)采取減輕上部荷載等相應(yīng)措施。采用灌注樁基礎(chǔ)時(shí)，其破壞位置一般不是很明確，對(duì)于在震后的維修和檢測(cè)有很大隱患。對(duì)于該問(wèn)題，可以人為設(shè)置塑性角，加大地底下的樁柱尺寸，將最容易破壞的截面提高到基礎(chǔ)以上。

2 針對(duì)山區(qū)公路彎、斜、坡橋的抗震思路與措施

2.1 山區(qū)彎橋抗震設(shè)計(jì)

山區(qū)公路彎橋在地震中的表現(xiàn)是很值得關(guān)注的，彎橋往往是在受力上比一般橋梁更加的復(fù)雜，地震荷載輸入的情況下，結(jié)構(gòu)的震動(dòng)力除了各方向的加速度外還有很強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)力，所以在彎橋的設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意橋墩結(jié)構(gòu)的選型，相關(guān)文獻(xiàn)推薦使用單圓形墩柱。單圓形墩柱在各個(gè)方向的慣性矩和截面性質(zhì)都是一樣的，對(duì)于不確定方向荷載的抵抗力有很好的效果。在抵抗扭矩時(shí)，單圓形柱墩比雙柱墩更具優(yōu)勢(shì)。

2.2 山區(qū)斜橋抗震設(shè)計(jì)

山區(qū)公路斜橋除了上述山區(qū)橋梁應(yīng)該注意的事項(xiàng)以外，更加要注意上部墩柱頂部的預(yù)留寬度和該處上部結(jié)構(gòu)的連接作用。在地震的作用下，斜橋橋墩傳遞給上部結(jié)構(gòu)的地震力與橋梁的軸線斜交，促使橋梁上部結(jié)構(gòu)平面轉(zhuǎn)動(dòng)。蓋梁的剪力鍵不足以抵御上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生落梁破壞。而且橋梁的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)加劇主梁間的碰撞，造成主梁和伸縮縫等構(gòu)件的破壞。所以上部結(jié)構(gòu)的連接作用要加強(qiáng)，并且支座比一般橋梁要寬。

2.3 山區(qū)坡橋抗震設(shè)計(jì)

山區(qū)公路坡橋的縱向各墩高度很容易相差很大，其在橋墩剛度的分配上就相差很大。要求采用一定的措施來(lái)調(diào)整剛度和質(zhì)量的分配，可以參考本文中前面所說(shuō)的做法。另外，坡橋要限制其坡度值。坡橋結(jié)構(gòu)的坡度過(guò)大，橋梁縱向的低墩位將承受更大的沖擊，在墩位較低側(cè)應(yīng)加強(qiáng)連接和加強(qiáng)柱墩的抗彎能力。坡橋在坡向會(huì)有一定的滑動(dòng)傾向，所選用的支座尺寸一定要保證在地震的縱向作用和自重滑動(dòng)傾向作用下的安全問(wèn)題。

［1］宋曉東，李建中.山區(qū)橋梁的抗震概念設(shè)計(jì)［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2004(1)

［2］Priestley M J N，Seible F，Calvi GM.Seismic design and retrofit of bridge［M］.New York:Wiley Sons Inc，1996

［3］范立礎(chǔ)，王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計(jì)［M］.北京:人民交通出版社，2001

［4］范立礎(chǔ).橋梁抗震［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1997