1、公路桥梁的抗震设计沈阳农业大学水利学院 王世雄摘 要：我国处于世界两大地震带环太平洋地震带和亚欧地震带之间，是一个强震多发国家，汶川、玉树地震表明强烈地震将引发长期的社会政治、经济问题，并带来难以慰籍的感情创伤。在抗震救灾中，公路交通运输网更是抢救人民生命财产和尽快恢复生产、重建家园、减轻次生灾害的重要环节，所以公路桥梁是生命系统工程中的重要组成部分，公路桥梁抵抗震害的能力是桥梁设计中重点关注的问题之一。文章分析桥梁结构震害及其原因，探讨公路桥梁抗震设防目标，提出公路桥梁抗震设防措施。关键字：桥梁；公路；设计；抗震我国是地震多发国家，这些年来地震一直不断，特别是2008年5月12日的、汶川大地
2、震给我国造成了巨大的损失。在抗震抢险救灾中公路交通运输是抢救人民生命财产、尽快恢复生产和重建家园的重要环节。遍布的道路交通犹如全身的血管,由此可知道路交通的重要性，而公路桥梁作为道路交通的一部分，其重要性也可想而知而桥梁工程作为重要的生命线工程，是交通运输的咽喉，在国家建设中起着举足轻重的作用，而在地震发生后为了紧急救援和抗震救灾的需要，其重要性就更为明显 1。一、桥梁结构地震破坏的主要形式根据桥梁过去的地震破坏情况，除了如液化、断层等因地基失效引起的破坏以外，混凝土桥梁最常见的破坏形式有以下四种 2： (一 ) 弯曲破坏结构在水平地震荷载作用下由于过大的变形导致混凝土保护层脱落、钢筋压屈和内
3、部混凝土压碎、崩裂，结构失去承载能力，如图1所示。整个过程可以用以下四个阶段来描述：当弯矩达到 图 1图 2开裂强度时，截面出现水平弯曲裂缝；随着裂缝的发展和荷载强度的提高，受震拉侧的纵筋达到屈服强度；随着变形量的增大，混凝土保护层脱落、塑性变形范围扩大；钢筋压屈(或拉断)和内部混凝土压碎、崩裂。（二）剪切破坏(弯剪破坏) 剪切破坏是桥梁在水平地震荷载作用下，当结构受到的剪切力超过截面剪切强度时发生剪切破坏，如图2所示。整个破坏过程也可以用四个阶段来描述：截面弯矩达到开裂强度时，截面出现水平弯曲裂缝；随着裂缝的发展和荷载强度的提高，柱内出现斜方向的剪切裂缝；局部剪切裂缝增大，箍筋屈服导致剪切裂
4、缝进一步增长；发生脆性的剪切破坏。(三 ) 落梁破坏当梁体的水平位移超过梁端支撑长度时发生落梁破坏是由于梁与桥墩(台)的相对位移过大，支座丧失约束能力后引起的一种破坏形式。发生在桥墩之间地震相对位移过大、梁的支撑长度不够、支座破坏、梁间地震碰撞等情况，如图3所示。(四 ) 支座损伤上部结构的地震惯性力通过支座传到下部结构，当传递荷载超过支座设计强度时支座发生损伤、破坏。支座损伤也是引起落梁破坏的主要原因。对于下部结构而言，支座损伤可以避免上结构的地震荷载传到桥墩，避免桥梁发生破坏，如图4所示。二、桥梁的抗震设计原理目前桥梁的抗震设计计算原理是建立在一定假设条件基础上的，尽管分析的手段在不断提高
5、，分析的理论在不断完善，但由于地震作用的复杂性，地基影响的复杂性和桥梁结构体系本身的复杂性，可能会导致理论计算分析和实际状况相差很大。当前我国桥图 3图 4梁的抗震设计原理主要有以下几种 3：（一）静力法静力法把地震加速度看作是桥梁结构破坏的唯一因素，忽略了结构本身动力特性对结构反应的影响应用存在较大局限性。事实上只有绝对钢性的物体才能认为在振动过程中各个部分与地震运动具有相同的振动所以只对刚度很大的结构例如重力桥墩、桥台等结构应用静力法近似计算。（二）反应谱法目前我国的公路及铁路桥梁均主要采用反应谱方法。反应谱法的思路是对桥梁结构进行动力特性分析(固对各主振动应用谱曲线作某强震记录的最大频率
6、，主振型 ）地震反应计算最后一般通过统计理论对各主振型最大反应值进行组合，近似求得结构的整体最大反应值。三、桥梁减震设计要点对于地震区的桥型选择，宜按下列几个原则进行 4：尽量减轻结构的自重和降低其重心，以减小结构物的地震作用和内力。提高稳定性，力求使结构物的质量中心与刚度中心重合，以减小在地震中因扭转引起的附加地震力。应协调结构物的长度和高度，以减少各部分不同性质的振动所造成的危害作用。适当降低结构刚度，使用延性材料提高其变形能力，从而减少地震作用。加强地基的调整和处理，以减小地基变形和防止地基失效 6。（一）结构的刚度对称结构的刚度对称有利于抗震，不等跨的桥梁容易发生震害。特别是一座桥内墩
7、身高度相差过大在较矮的桥墩上会产生很大的地震水平力跨径不同。在大跨径的桥孔的桥墩上也产生大的地震力。设计时尽量避免在高烈度区采用这种桥型，如无法避免。宜在不利墩上设置消能措施降低墩顶集成刚度，例如设抗震支座等。（二）适应地震作用对桥梁抗震性加以分析研究，某类结构不能在地震区应提出更能内修建，在分析研究原有结构抗震性能的基础上，适应地震作用的结构型。其次对结构抗震设计不是被动地作为地震作用时结构强度、变位的验算，而是要从设计角度，提高结构的防震能力，要系统考虑结构的行为能力设计。（三）以柔克刚结合我国国情，研究结构控制的有效型式，加强抗震措施，必须采用“以柔克刚”的设想来考虑地震区结构抗震设防的
8、“以刚克刚”的旧传统设防观 ，对地裂、地出发点，改变单纯的边坡倒塌、沙土液化时桥梁结构如何抗震设防也应该做出深入的研究。（四）提高桥梁部件的延性针对目前大量高架桥倒塌毁坏的教训，必须开展对抗震支座、各种型式桥墩的延性研究，要利用约束混凝土的概念预应力混凝土，而且可以提高它的延性。不但对钢筋混凝土、混凝土结构、混合结构的延性都需展开研究。四、常见桥梁减震方法常用的抗震方法增加结构的柔性以延长结构的自振周期，达到减小由于地震所产生的地震荷载和增加结构的阻尼或能量耗散能力以减小由于地震所引起的结构反应是实用的抗震方法。当前，比较容易实现和有效的抗震方法主要有以下几种：（一）采用隔震支座大量的试验和理
9、论分析都表明其联结方式对桥梁结构的地震反应有很大的影响在梁体与墩、台的联结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力 5。采用隔震支座，采用减、隔震支座（聚四氟乙烯支座、叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座等)在梁体与墩、台的连接处增加结隔震支座桥构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应；采用减、梁结构的梁体通过支座与墩、台相联结，大量的试验和理论分析都表明其联结方式对桥梁结构的地震反应有很大的影响，在梁体与墩、台的联结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力。抗震橡胶支座（二）利用桥墩延性减震利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法 6。桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足
10、够的延性，以便在强震作用下使这些部位形成稳定的延性塑性铰产生弹塑性变形来延长结构周期、耗散地震能量，在进行延性抗震设计时，按弹性反应谱计算塑性反应的地震荷载需要修正，桥梁抗震设计规范采用了综合影响系数来反映塑性变形的影响，其理论依据是，当结构进入塑性阶段时，地震荷载可以比弹性结构的地震荷载折结构综合影响系数主要考虑了这一因素。（三）采用减震的新结构型钢混凝土结构是在混凝土上包裹型钢做成的结构 7。它与钢筋混凝土结构相比具有一系列优点，其承载力可以高于同样外形的钢筋混凝土构件承载力倍以上，并具有较好的抗剪能力，延性比明显高于钢筋混凝土结构，滞回曲线较为饱满，耗能能力有显著的提高，从而呈现出良好的
11、抗震性能，能够隔离、吸收和耗散地震能量减小桥梁结构的地震反应，使桥梁的变形限制在弹性范围，避免由于产生塑性变形而造成累积损伤破坏和永久残余变形，这大大提高了桥梁结构的安全度，同时可以节约材料，降低造价。其次，混凝土中的型钢除采用轧制型钢外，还广泛使用焊接型钢，常用的截面型式有H型、T型、u型等，ET 而采用矩形及圆钢管混凝土结构是在型钢混凝上结构、螺旋配筋混凝上结构以及钢管结构的基础上演变和发展起来的一种新型结构。五、结语虽然目前地震还不可有效的预测，但是只要我们通过研究认识到地震对结构的破坏规律，我们就能通过一定的抗震设防原则制定相关的抗震设防措施并控制好施工质量，这样就能尽量减低震害的影响
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