桥梁工程抗震设计中的问题与

更新时间:2024-01-14 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:25832 浏览:119293

[摘 要]作为设计人员,重视高烈度地震区桥梁工程的抗震设计是非常必要的.但在满足抗震设防标准的前提下选择合理的桥跨结构、桥式方案,尽可能将工程投资控制在一个合理的范围内,更是一位优秀的工程设计人员必备的基本素质.

[关 键 词]桥梁工程抗震设计分析

中图分类号:U442.55文献标识码:A文章编号:1009-914X(2014)27-0194-02

一、前言

近年来,我国地震频发,公路、铁路桥梁等交通工程在地震中遭到了不同程度的破坏,因此如何提高桥梁的抗震能力,加强桥梁工程抗震研究的重要性便显得十分重要.桥梁工程是交通枢纽中的重中之重,强震往往使公路、铁路桥梁遭到严重破坏,不但影响着交通的正常通行,还有可能引发次生灾害,如滑坡、泥石流等等,给交通恢复带来极大的困难.故桥梁抗震设计结合地形、地质条件、构造特点、工程规模及震害经验等因素,确定合理的桥型及墩台、基础形式就显得尤为重要.大量的震害表明,基础震害常使桥梁的修复、加固变得十分困难,甚至无法修复.因此,对于地震区(特别是8度及以上强震地区)的桥梁在场地选择和基础设计时应倍加重视.[1]

二、提出问题的原因

公路、铁路交通是国民经济发展的命脉,因此,对这些承担着发展地区经济使命的桥梁工程进行抗震设防是非常必要的.但是,由于各国抗震设计规范规定的是最低设防要求,而且仅适用于桥梁跨度不超过150m的梁式桥,所以几乎所有大型桥梁的抗震设计首先需要明确的就是抗震设防标准,如何确定重大桥梁工程的抗震设防标准成为摆在设计人员面前的一个难题.在历次破坏性地震中,支座的震害现象都较普遍;下部结构和基础的严重破坏是引起桥梁倒塌、并在震后难以修复使用的主要原因.而桥梁震害产生的原因有两大类,一类是地基失效引起的破坏,另一类是结构的强烈振动引起的破坏.对于后者,又主要源于两方面的原因:一是结构设计和细部构造以及施工方法上存在缺陷;二是结构遭遇的地震动的强度远远超过人们的估计,结构无法抵御而破坏.要减轻地震灾害,就要采取各种抗震措施,对工程结构进行抗震设防,这就免不了要增加工程的造价,而这些投资往往只能在遭遇设防地震时才能见到效益.[2]

三、桥梁结构抗震设计的理念和原则

1、桥梁结构抗震设计的理念.目前桥梁结构抗震设计的理念为小震不坏、中震可修和大震不倒,也就是说在实际桥梁结构抗震设计中,应该根据桥梁所在区域地震发生的频率,并结合罕见地震对整个桥梁进行多标准的设计.具体来说,设计出来的桥梁在遇到小规模地震的时候,其桥梁结构应该处于弹性阶段,即内部结构不能出现损害或者仅仅出现很轻微的损害,从而保证桥梁在小规模地震时能够正常使用;当设计出来的桥梁遇到中规模的地震时,其桥梁结构将会进入非弹性阶段,即桥梁可能发生部分损害,但应该保证这些损害区域都处于可修复的程度,同时应该在地震后尽快的对桥梁进行修复工作,从而使桥梁尽快的实现其职能;当设计出来的桥梁遇到大规模的地震时,其桥梁结构将会进入弹塑性阶段,即桥梁很可能会发生严重的破坏,但应该保证桥梁不会发生整体的坍塌现象,同时经过快速的维修以后可保证桥梁能够安全的通车.一般情况下,桥梁结构的抗震设计都应该满足以上理念,并根据抗震设防烈度进行相应的抗震措施.

2、桥梁结构抗震设计的原则.在进行桥梁结构抗震设计时,应该遵守七个原则.第一是桥梁结构的抗震设计应该和桥梁施工区域的地质地形、地震灾害情况等各种情况结合在一起,从而选择出最合理的桥型方案;第二是为了增强桥梁的抗震性能,在同一个桥梁设计中应该适量的减轻桥梁上部的重量,从而进一步增强桥梁的抗震性能;第三在进行桥梁结构设计时,应该尽量的使桥梁形体简单,质量均匀、有利于施工作业等,同时还应该尽可能的避免结构截面突变等情况;第四在桥梁结构的抗震设计中,应该采取能够增强桥梁整体性的连接模式,并在各个连接点应该采用相应的减震措施和减震装置,从而提高桥梁在地震发生时的稳定性;第五设计出来的桥梁应该满足经济合理、便于修复等多方面的要求;第六是对于桥梁的抗震,应该在减震和隔震支座方面进行集中探究,同时还应该增强对钢筋混凝土桥墩的计算与分析,从而增强钢筋混凝土桥墩的可靠性;第七是对于一些高墩和大跨的桥梁结构抗震设计,应该进行专门的抗震设计专题探讨.

四、桥梁抗震设计方法

桥梁抗震设计是指根据地震灾害和工程经验等获得的基本设计原则和设计思想,正确地解决结构总体方案、材料使用和细部构造,以达到合理抗震设计的目的.合理的抗震设计,可以使设计出来桥梁在强度、刚度和延性等指标上达到最佳的组合,使结构能够以最低的成本的实现抗震的目标.

1、提高结构和构件的强度和延性.抗震设计要力图使从地基传入结构的振动能量为最小,并使结构具有适当的强度、刚度和延性.在不增加自重,刚度一定的前提下,提高结构的强度和延性是两个有效的抗震途径.刚度的选择有助于控制结构变形;强度与延性则是决定结构抗震能力的两个重要参数.由于地震可造成结构和构件周期反复变形,使其刚度与强度逐渐退化,因此,只重视强度而忽视延性不是成功的抗震设计.

2、体系的整体性和规则性.桥梁的整体结构要协调,上部结构应尽可能是连续的.较好的整体性结构可有效防止构件及非结构构件在地震时被震散掉落,同时它也是结构发挥空间作用的基本条件.不管是在平面还是在立面上,结构的设计都要力求使桥梁在质量、刚度、几何尺寸等方面协调匀称,避免结构断面的突变.

3、多阶段设计方法.随着对地震产生机理、地震特性以及地震作用下,各类结构动力特性、破坏机理、构件能力研究认识的加深以及对结构在不同发生概率地震作用下预期性能目标的不同,促使结构设计在设计原则、设防水准等各个方面进行不断改进.由原来的单一设防水准一阶段设计逐渐改进为双水准或三水准两阶段设计、三阶段设计,以及多水准设防、多性能目标准则的基于结构性能的设计等.五、多级设防的抗震设计思想

随着国内外震害资料的不断增加,人们对地震动特性以及地震作用下各类结构的动力响应特性、破坏机理、构件能力的研究和认识也不断加深.而另一方面,由于经济的原因,社会、团体组织对结构在不同水准地震作用下结构预期抗震性能会有不同的要求.这些因素,不断地促进抗震设计思想和方法的发展,由原来的单一设防水准一阶段设计逐渐发展为双水准或三水准设防两阶段设计、三阶段设计,以及多水准设防、多性能目标准则的基于性能的抗震设计等.(1)双水准设防、三水准设防两阶段设计近几十年来,美国、日本及我国等国家的地震工程专家先后提出了分类设防的抗震设计思想,即“小震不坏、中震可修、大震不倒”.这一抗震设计思想常表示为以下三个要求:在小震(多遇地震)作用下,结构物不需修理,仍可正常使用;在中震(偶遇地震)作用下,结构物无重大损坏,经修复后仍可继续使用;在大震(罕遇地震)作用下,结构物可能产生重大破坏,但不致倒塌.(2)多水准设防、多性能目标的基于性能的抗震设计多次破坏性地震的震害表明:基于不倒塌的抗震设计在保护生命安全方面是比较有效的,但难以避免巨大的经济损失.而且越来越多的学者已认同将来的抗震设计应是基于性能的抗震设计,因此可以说是桥梁抗震设计方法的发展趋势.

六、国内外的抗震设防水准

国内外桥梁抗震设计规范中规定的抗震设防水准,可以看出美国、加拿大、欧洲规范都采用重现期来描述设防水准.[3]美国AASHTO规范将50年超越概率10%(重现期475年)的地震水平作为设计地震动.给出了2个地震动水准:功能评价地震动(由认可的组织进行确定)和安全评价地震动(由地震危险性分布图得到,重现期1000~2000年).欧洲规范(EC8)设计地震水平近似具有475年的重现期.加拿大抗震设计规范生命线桥梁按1000年重现期的地震进行设计;其他桥梁按设计地震(475年重现期)进行设计.由于当地地理、环境等多种因素,日本并不信任概率法,对于大多数地区准确的重现期是不清楚的.我国公路工程抗震设计规范将50年超越概率10%的地震作为工程抗震设防依据.国内已建的一些大型桥梁工程如南浦大桥、杨浦大桥、徐浦大桥、汕头海湾二桥、虎门大桥、南澳大桥、江阴长江公路大桥、南京长江二桥、润扬长江公路大桥以及苏通大桥主航道桥均采用双水准设防.

七、重大桥梁的设防标准

设防标准是指根据地震动背景,为保证工程结构在其寿命期内的地震损失不超过规定的水平或社会可接受的水平,规定工程结构必须具备的抗震能力和重要性等级.确定抗震设防标准需要自然科学、工程科学以及社会科学多方面的合作,在保证地震安全和最佳经济效益之间寻求最佳平衡点.设防标准包含了设防原则、设防目标、地震危险性、设防参数、设防水准和设防等级等内容,其核心是如何正确解决设防水准与设防原则以及设防目标之间的关系.随着人们对地震认识的深入和震害资料的积累,抗震设防水准由原来的单一设防水准逐渐发展成为双水准、三水准、多水准,并通过研究建立设防水准与设防原则、目标的关系.分级设防的思想是在核电站抗震设计中首先提出的,目的是为了在不同概率水准的地震动作用下保证正常的生产和安全,后来逐步应用到其他重大工程.小震不坏、中震可修、大震不倒是结构抗震中最普遍的分级设防思想.在世界各国抗震规范中,基本上都采纳了分级设防的思想,但是在具体设防要求和实施保障上还存在一定的差异.必须注意到:一般情况下,抗震设计规范只适用于普通桥梁的抗震设计,大型桥梁工程所采用的抗震设防标准一般要略高于普通桥梁,但并不是越高越好.目前,大型桥梁工程具体采用的抗震设防标准,一般参考其他大型桥梁工程已采用的抗震设防标准,并结合工程的重要性、业主自身的经济能力以及所能承受的风险水平来确定.前面提到的国内已建的一些大型桥梁工程均采用了两阶段抗震设计方法,即第一阶段进行设计地震作用下承载力计算,第二阶段为罕遇地震作用下位移、变形验算.随着认知水平的提高,桥梁抗震设防标准也逐渐得到细化和明确.

八、桥梁结构抗震设计的重点

1、桥型和桥位的选择.桥梁结构抗震设计应该做好桥位的选择,即桥位应该处在最适合抗震的区域,而不应该选在粘土层等不良土层区域,尤其是在地震断层带等区域.如果因为一些特殊原因,桥位必须设定在这些不良土层区域中,那么应该把桥梁的长度适度的加强,从而保证整个桥台处在土层坚实、稳定性强的土层上,同时对于桥梁的桥墩也应该有更高的要求.在桥型选择方面,应该优先选择抗震性能好的结构,比如连续梁等.

2、桥梁结构的抗震设计烈度.设计烈度主要是指建筑工程设计时的地震烈度.一般来说,桥梁结构抗震设计中,设计烈度都会按照基本烈度来作为标准,尤其是桥梁的一些重要设计区域还应该经过审批以后提高一级的烈度.根据目前我国桥梁地震灾害的实际情况来看,当基本烈度为七级以下的时候,桥梁一般不会受到太大的地震影响.因此对于基本烈度为七级以下的桥梁,不必可以的进行抗震设计.


3、桥梁结构的抗震设计方法.对于一般的桥梁来说,其抗震设计都会按照相应规范中的简化方法进行.我国抗震设计规范中所采用的方法为反应谱原理,即结合桥梁的抗震设计烈度和地震荷载,计算出地震发生时桥梁所受到的内力和可能产生的位移,从而进行地震预防.对于一些重要的桥梁结构,应该对其进行必要的地震反应谱分析,分析的方法主要是结合地面振动的速度和相关的力学原理,进行必要的地震动力分析.在分析中如发现建成的桥梁不符合相关的抗震要求,应该进行科学合理的加固方案.对于强烈地震发生区域,桥梁结构抗震设计为了满足经济和实用两方面的要求,可以使桥梁某些不重要的区域出现一些很容易修复的塑性变形,但出于安全考虑,应该增强桥梁主要承重结构,从而保证桥梁的可靠性.除此之外,在桥梁抗震设计方法上,即可以采用较为常用的反应谱法和动力时程分析法,而在遇到高墩和大跨的桥梁结构时,也可以考虑使用行波效应等方法来进行更加科学的抗震设计,从而进一步增强桥梁的抗震性能.九、抗震措施

1、支座抗震设防措施.一是对采用橡胶支座而无固定支座的桥跨,应加设防移角钢或设挡轨,作为支座的抗震设计.二是对高烈度区的桥梁设计应在纵向设置一定的消能装置,如采用聚四氟乙烯支座、迭层橡胶支座、铅芯橡胶支座等减、隔震支座以及在梁体与墩台的连接处增加结构的柔性和阻尼,以便共同受力和减小水平桥梁荷载的作用.三是由于拱桥对支座水平位移十分敏感,同时两边桥台的非同步激振会引起较大的伪静力反应,有时甚至会大于惯性力所引起的动力反应,因此要求震区的拱桥墩台基础务必设置于整体基岩或同一类型的场址上,以保证地震时各支座的同步激振.

2、下部结构和基础抗震设防措施.桥梁位置应选在良好和稳定的河段,如果必须在稳定性差的软弱场地的河段上通过时,应尽量采用桥梁中线与河流正交,这样即使地震产生河岸滑移,影响也较小;若采用斜交,地震时极易产生河岸向河心滑移,会使桥梁随之发生错动或扭转破坏.其次,还应注意在主河槽与河滩分界的地形突变处,尽量避免设墩,否则应采取加强措施以减免滑移.另外,桥梁的基础应尽可能的建在可靠的地基上,否则软土的液化会加大地震反应和效力.

3、由于工程场地可能遭受的地震的不确定性,以及人们对桥梁结构地震破坏机理的认识尚不完备,因此桥梁抗震设计上还不能完全依靠定量的计算方法.实际上,历次大地震的震害表明,一些从震害经验中总结出来或经过基本内力概念启示得到的一些构造措施被证明可以有效地减轻桥梁的震害,如主梁与主梁或主梁与墩之间适当的连接措施可防止落梁.但构造措施的使用不能与定量的计算结果相矛盾.简单地说,定量的设计计算是桥梁抗震的最基本部分,这包括延性设计概念和减隔震设计概念.构造措施的使用不能导致上述设计结果的失效.桥梁结构地震反应越强烈,就越容易发生落梁等严重破坏现象,构造措施就越重要,因此处于高烈度区的桥梁结构需特别重视构造措施的使用.[4]

十、结束语

随着我国社会经济的发展,人们对于桥梁的质量要求也会有新的内容.而桥梁的抗震设计作为桥梁质量的重要保证,在未来的发展中必将有其新的意义和内涵.本文经过科学合理的探究,较为系统的探究了桥梁结构的抗震设计,给广大桥梁设计人员带来了操作性较强的实践经验.因此,作为一名优秀的桥梁设计人员,在当下更应该对桥梁结构抗震设计的核心内容进行深入的了解,积极借鉴其他区域关于桥梁结构抗震设计的先进技术经验,给桥梁结构抗震设计的发展做出自己的贡献.

;铁路工程抗震设计规范(2009版)GB50111-2006.北京.中国计划出版社.2009.

[2]叶爱君.大型桥梁工程的抗震设防标准探讨[期刊论文]《地震工程与工程振动》,2006年.

[3]王莹.王灿.国内外桥梁抗震设计规范的发展及对比研究[期刊论文]现代交通技术.2012,9(4).

[4]公路桥梁抗震设计细则(JTG/TB02-01-2008).北京.人民交通出版社.2008.