橋梁抗震設(shè)計的探討

張培澤

（山西省公路局太原分局勘測設(shè)計所，山西 太原 030000）

1 橋梁抗震結(jié)構(gòu)受到地震破壞的主要形式

根據(jù)以往地震所獲得經(jīng)驗(yàn)，除因地震失效而引起的破壞之外，橋梁混凝土受到破壞主要有以下四種常見的形式：

1.1落梁破壞。落梁破壞是當(dāng)梁體的水平位移超過了橋梁梁端的支撐長度時，橋梁與橋墩之間的相對位移逐漸增大從而使支座失效喪失了對橋梁約束能力的一種破壞形式。當(dāng)支座受到破壞、橋梁的支撐長度不夠、梁間因地震而產(chǎn)生碰撞時常常會導(dǎo)致落梁破壞的發(fā)生。

1.2支座損傷。地震的慣性力是通過支座從橋梁上部傳到下部結(jié)構(gòu)的，支座在結(jié)構(gòu)設(shè)計時是有荷載強(qiáng)度的，地震來臨時，傳遞的荷載超過了支座的荷載強(qiáng)度時，支座便會損傷并且破壞。由于支座的損傷地震的慣性力便不會傳到下部結(jié)構(gòu)，就可以避免地震荷載傳到橋墩從而破壞橋梁，同時支座損傷也會造成橋梁落梁受到破壞。

1.3剪切破壞。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，橋梁在地震水平倚戟的作用下，橋梁受到的剪切力超過了自身的剪切強(qiáng)度便會發(fā)生剪切破壞。剪切破壞主要有以下四個階段：①當(dāng)橋梁截面的剪切彎矩超過自身的強(qiáng)度時，截面便會出現(xiàn)裂縫；②由于地震時荷載強(qiáng)度越來越高，橋梁柱內(nèi)會逐漸出現(xiàn)斜方向的剪切裂縫；③隨著地震的繼續(xù)發(fā)生，箍筋會慢慢開始屈服便會導(dǎo)致剪切裂縫越來越大；④最后橋梁便會因地震而發(fā)生脆性的剪切破壞。

1.4彎曲破壞。在地震的荷載的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生變形，由于過大的變形會導(dǎo)致橋梁混凝土層的脫落、內(nèi)部混凝土崩裂以及鋼筋屈服的現(xiàn)象的發(fā)生，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)喪失承載能力。彎曲破壞主要也有一下四個階段：①當(dāng)?shù)卣饚淼乃綇澗爻^橋梁自身的開裂強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生裂縫；②隨著地震的荷載強(qiáng)度的提高，縱筋也會慢慢屈服，裂縫會繼續(xù)發(fā)展；③橋梁的變形會越來越大，從而導(dǎo)致了橋梁塑性鉸范圍增大以及混凝土保護(hù)層的脫落；④發(fā)生彎曲破壞，混凝土的崩裂以及鋼筋的屈服。

2 橋梁抗震設(shè)計的設(shè)計原則

橋梁抗震結(jié)構(gòu)在剛度、強(qiáng)度以及延性上有最佳的組合并能夠滿足抗震的目標(biāo)便是合理的抗震設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計師為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，要有足夠的創(chuàng)造力以及洞察力，設(shè)計出最為經(jīng)濟(jì)合理的抗震結(jié)構(gòu)，不僅僅要深入的了解跟地震相關(guān)的各種建筑因素，設(shè)計師還應(yīng)該遵循一些基本的抗震設(shè)計的設(shè)計原則：①橋梁抗震設(shè)計體系的規(guī)范性以及整體性。橋梁的上部結(jié)構(gòu)需是連續(xù)的，整體性好了，便可以有效的防止地震來臨時抗震的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的掉落，同時結(jié)構(gòu)體系的整體性對于抗震結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用也是十分關(guān)鍵的。另外抗震的結(jié)構(gòu)設(shè)計體系還應(yīng)規(guī)范，幾何尺寸、剛度以及質(zhì)量無論是在平面還是在立面空間內(nèi)，布置都應(yīng)該對稱、均勻并且規(guī)范。②橋梁施工場地選擇的原則。首先場地的選擇要保證廠址是比較安全的，處安全性之外還有一個原則是：盡量選擇具有堅硬土的場地而不是軟粘土場地，因?yàn)楫?dāng)?shù)卣鸬絹頃r，軟粘土場地更容易發(fā)生地基失效；③提高抗震結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性及強(qiáng)度。地震對橋梁造成的破壞的主要原因是由于地震時地震動而引起了橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)振動，因此，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，盡可能少的使地震產(chǎn)生振動能量傳到橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部去，同時抗震結(jié)構(gòu)及構(gòu)建又具有較好的強(qiáng)度、剛度以及延性，便可以有效的防止結(jié)構(gòu)受到的破壞。橋梁抗震結(jié)構(gòu)的剛性可以有效的控制結(jié)構(gòu)的變形，而延性以及強(qiáng)度則決定了抗震結(jié)構(gòu)的抗震能力。由于地震的反復(fù)振動會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和構(gòu)建的變形，從而減弱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及剛度，因此在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計時還應(yīng)該重視結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的延性設(shè)計。④盡可能多的設(shè)置抗震防線。當(dāng)?shù)卣饋砼R時，地震動破壞第一道防線后，第二道防線便起到了支撐的作用，防線越多，便可以越有效的避免橋梁的坍塌。⑤抗震設(shè)計的能力設(shè)計原則。強(qiáng)度安全度的差異性是能力設(shè)計的核心思想。即不同的構(gòu)建與不同的破壞形式之間要確立不同的強(qiáng)度安全度。這樣可以有效的防治地震來臨時結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞。通常情況下，我國普遍采用“強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計思想。

3 橋梁抗震設(shè)計的相關(guān)問題

3.1橋梁抗震概念設(shè)計。為達(dá)到合理的抗震目的，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)以及地震災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計思想及設(shè)計原則，合理而有效的解決抗震結(jié)構(gòu)的方案、材料、細(xì)部構(gòu)造等問題即為抗震設(shè)計理念。一個抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的是否合理，主要看剛度、強(qiáng)度、延性等指標(biāo)的組合是否合理，如果合理，便是合理的抗震設(shè)計。強(qiáng)調(diào)抗震的概念設(shè)計是為抗震計算創(chuàng)造有利的條件從而準(zhǔn)確而真實(shí)的反應(yīng)地震發(fā)生的實(shí)際情況，并不是重視什么數(shù)值計算。因此，當(dāng)進(jìn)行抗震概念設(shè)計階段，設(shè)計人員應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計要求選擇最優(yōu)的抗震結(jié)構(gòu)體系。

3.2地震響應(yīng)分析及抗震設(shè)計方法的改變。隨著科學(xué)水平的不斷發(fā)展，專家學(xué)者對結(jié)構(gòu)動力特性以及地震動的理解也越來越全面，所以目前也已經(jīng)發(fā)展出了多種地震響應(yīng)分析的設(shè)計方法以及抗震設(shè)計理論。目前抗震設(shè)計的理論主要有靜力理論、動力理論以及反應(yīng)譜理論三種。無論是從地震的持續(xù)時間、頻譜以及振幅地震三要素分析，還是從地震的反應(yīng)分析方法、設(shè)計原則、輸入地震動以及結(jié)構(gòu)和構(gòu)建的動力模型抗震理論的四要素分析，動力理論都是考慮最全面、研究最精細(xì)的理論。

3.3橋梁結(jié)構(gòu)延性的抗震設(shè)計。目前在對橋梁結(jié)構(gòu)的延性進(jìn)行抗震驗(yàn)算時采用的破壞準(zhǔn)則主要有以下幾種：變形破壞準(zhǔn)則、能量破壞準(zhǔn)則，強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則、用最大變形和滯回耗能來表達(dá)的雙重指標(biāo)破壞準(zhǔn)則等幾種準(zhǔn)則。橋梁結(jié)構(gòu)延性的破壞機(jī)理可以總結(jié)為：當(dāng)不完全進(jìn)入塑性形變之前就已經(jīng)出現(xiàn)了某種程度的塑性變形，這樣消耗的能量便成為了有效粘滯阻尼的一部分；當(dāng)進(jìn)入完全的塑性形變時，抗震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單方向的塑性漂移并沿其方向發(fā)展直至結(jié)構(gòu)倒塌。因此若要保證在塑性形變的階段結(jié)構(gòu)不被破壞甚至倒塌，首要就要確保結(jié)構(gòu)有足夠的耗能能力。

3.4多階段抗震設(shè)計方法。隨著近些年科學(xué)水平的不斷提高，抗震設(shè)計研究人員對在地震作用下，抗震結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理以及構(gòu)建能力的研究等方面的理解及認(rèn)識也越來越深，同時在不同概率的地震作用下，結(jié)構(gòu)的預(yù)期性能目標(biāo)也是不同的，因此抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)防水準(zhǔn)及設(shè)計原則都有了顯著的提高。設(shè)計方法也從單一設(shè)防水準(zhǔn)一階段逐漸改善為多水準(zhǔn)多階段的設(shè)計方法。

通過以上論述，我們對現(xiàn)代橋梁建筑地震的主要破壞形式、橋梁抗震設(shè)計的設(shè)計原則以及橋梁抗震設(shè)計所存在的相關(guān)問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究以及深入的探討。做好了橋梁建筑的抗震設(shè)計，使用者的安全才能得到良好的保證，橋梁行業(yè)才能夠繼續(xù)蓬勃發(fā)展。

[1]王克梅.橋梁抗震的研究進(jìn)展[J].工程力學(xué)，2007.

[2]王硯田.橋梁震害分析與抗震設(shè)計[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2006.

[3]楊洪偉.淺談橋梁抗震概念設(shè)計[J].山西建筑，2007.