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1、 连续梁桥抗震设计初探 摘 要:桥梁建设不能忽视地震作用。分析了连续梁桥震害的原因及其表现,讨论了桥梁弹塑性地震响应的主要分析手段和延性抗震设计方法。指出抗震设计的未来发展趋势,并给出了规范修改建议。关键词:桥梁震害;抗震设计;梁桥doi:10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.1020 引言按照世界地震分布来看,我国绝大部分地方都处在多震区,近年以来,随着我国桥梁技术水平的提高,已经能设计出各种各样的桥梁型式。当地震来临时,各种桥梁能否抵抗住在地震水平力与竖向力,减轻地震作用下的经济损失,特别是最大限度避免人员伤亡,成为
2、工程界关注的热点问题。为设计既经济又不过保守,需要对桥梁设计理念与加固措施技术形式梳理,对地震中已经发生的桥梁失效及破坏进行系统地研究和分类,进行震害调查分析,为桥梁抗震设计提出有益建议。1 常见桥梁震害及成因分析地震对桥梁产生危害机理的比较复杂,通过地震产生后的现状分析,得出合理抗震设计方法。通过汶川等一系列震后的破坏情况,可以归纳成一下几个方面。(1)支撑连接部件(支座)震害。在地震来临时,支座作为支撑连接部件,基本不会破坏,如阪神地震中,调查支座损坏的情况时,发现损坏比例达到调查总数的28%,当支座发生破坏后。受力传递方式会发生改变,整个桥梁的受力也应此而改变,直接影响到其他部位。桥梁支
3、座破坏形式一般是支座发生位移;锚固螺栓拔出、剪断;活动支座脱落等。(2)上部结构移位震害。上部结构移位震害即桥梁上部结构的纵向、横向、及扭转发生的移位造成的震害。桥梁伸缩缝一般来说的是容易发生损坏。这种损坏形式一般为梁间开脱、错位、或顶撞;还有一种表现形式位移过大导致上部结构超出了墩、台的接触面使落梁。资料表明,桥梁顺桥向的落梁破坏远大于横桥向,它约占全部落梁总数的80%-90%1。顺桥向落梁时,梁端下坠,梁撞击桥墩,由于梁自重一般很大,所产生的冲击力对下部结构造成的破坏很严重,与落梁的冲击力与梁在墩顶振动时相比,几百倍的差距。如汶川地震时就发现了落梁冲撞桥墩而使墩身倾斜的现象。桥梁上部结构损
4、坏大部分是碰撞、落梁同时发生。当年的汶川地震中,新文坪大桥就是这种破坏。(3)下部结构震害。桥梁基础与下部结构的破坏直接导致桥梁整体倒塌,并在震后难以对桥梁进行修复。桥梁墩台和基础的震害是由于受到较大的水平力,瞬时反复振动在相对薄弱的截面产生破坏而引起。根据大量震害实例2,长细比相对较大柔性桥墩所产生的破坏,多为弯曲破坏,也就是延性破坏,现场表现为:混凝土的钢筋裸露压溃、开裂、与压弯等,并伴随塑性变形。塑性变形破坏主要是由于桥墩纵向钢筋搭接或焊接不牢、约束箍筋配设不足等引起墩的延性不足;长细比较小的桥墩的破坏大部分为剪切破坏,即脆性破坏,表现为:钢筋切断、混凝提斜破坏,混凝土大裂缝等。这种破坏
5、主要是由于墩柱剪切强度不足引起。桥台的震害除地基承载力失效(如砂土液化、边坡滑移等)引发的桥台滑移、倾覆外,还有桥梁上部结构发生的顶撞破坏。桥梁的基础破坏也会发生,主要是由于场地土不均匀沉陷、土的液化导致的倾覆,或者因为桥梁上部结构下落产生的惯性力引起的桩基弯曲、剪切破坏等。因为基础的隐蔽性,震后破坏不易发现,往往通过上部结构的震害体现出来,而且修复比较困难。2 连续梁桥抗震设计建议(1)抗震响应因素的影响分析。1)墩柱越高,墩底应力越大,墩顶的横向位移和梁底的相对位移越大;2)随着跨径增大,梁的跨中弯矩和固定墩墩底弯矩先减小后增大,梁位于支座截面负弯矩逐渐增大,梁支座处的剪力先增大后减小,纵
6、向位移逐渐增大;3)桥墩高度的变化直接影响梁端位移、梁体应力和墩底内力,适当地改变和调整墩高和跨径,可以有效提高结构的抗震性能;4)随着桥梁跨数量的增加,梁底和墩顶的相对位移增加,墩底竖向的剪力和弯矩增大;5)随着桥墩刚度的增大,梁底和墩顶的相对位移先适度减小然后反弹,梁和墩的内力增大。因此,减小墩柱的刚度是桥梁结构有效的隔振设计方法;6)横向约束减少,梁和墩的内力变小,对位移影响不明显。(2)抗震设计建议。1)桥梁工程设计分为多个阶段,在不同设计阶段有不同设计理念,工程可行性阶段的抗震设计一般以意向设计为主要导向,结构构造设计和验算为辅;在初设设计阶段时,桥梁的抗震设计按照体系设计为主线,结
7、构构造设计为辅;最后正式施工图设计时,抗震设计按照设计规范要求,通过计算,以构造设计为主。桥梁的抗震计算一般是通过有限元模拟计算,桥梁结构的抗震概念设计和抗震构造设计相比较,后者更为重要;2)通过工可阶段中桥梁抗震概念设计来选择桥型、桥位。特别是对选址的选择,应避免地质环境在地震时对桥梁的二次破坏。桥梁基础应选择在强度较高的基岩上;3)对大、特大桥梁要进行地震来临时的安全性评价,特别大跨度桥梁和地理位置特殊的桥梁,還应该在规范要求上提高抗震设防标准。如将设计基准期由50年提高到100年,超越概率水平不变,而重现期约提高一倍;4)结构抗震设计方法已从传统的强度理论向延性抗震理论过渡,目前所有的桥
8、梁设计中,桥墩及基础都将采用延性方法进行设计,这种是一种变“抗震”为“减隔震” 设计方法。因此,如何处理损伤和塑性变形能力之间的矛盾,将成为延性设计的关键;5)间隔震的设计方法,是一种既经济又可靠的抗震措施。间隔震措施(基础隔振和阻尼耗能技术)使结构不受损伤或损伤减小。上部结构要加强防落梁措施设计;下部构造要重视一联中矮墩的设计;特别是结构刚度突变处(如桩基与墩台间等)的构造设计。3 结语中小跨径桥梁以板式橡胶支座居多,在设计时应允许桥梁支座轴线发生破坏。支座发生破坏的过程就是一个耗能的过程,破坏后,通过墩柱传递到桥梁上部结构的惯性力将大大减小,这是有益于抗震的。公路桥梁的抗震设防目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”,此设防标准太过笼统。可以建议:应对结构不同构件、在不同水准地震作用下制定不同的设计目标,明确不同水准的地震作用下桩基础、承台、盖
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