浅谈公路桥梁的防震设计

2022-09-12

随着公路交通事业的发展, 公路交通系统已成为现代社会的生命线。地震时, 最易受损的部分便是桥梁。震害不仅使桥梁本身受到损失, 更重要的是桥梁修复困难, 影响抗震救灾人员和物资运输, 使次生灾害加重。20世纪90年代中期以来, 全球地震活动增强。我国地处欧亚地震带中段, 是地震多发地区, 地震烈度在6度以上地区占国土面积的73%。强烈地震造成生命和财产灾难性损失。公路桥梁作为交通运输的咽喉, 是否能抗震防灾并在救灾生命线工程中发挥作用, 以减少次生灾害的发生至关重要。因此, 对我国公路桥梁进行抗震防灾设计研究有其重大的现实意义。

1 桥梁震害及其成因

国内外对地震后桥梁震害的调查统计资料表明, 桥梁的震害一般集中在桥梁墩台沉降、滑移、倾斜及开裂, 上部落梁, 支座倾倒及锚栓剪断等方面。具体情况为: (1) 墩台沉降、滑移、倾斜及开裂:桥梁墩台的下沉、滑移及倾斜震害, 一般发生在软土或可能液化的地基土上。基础液化使承载力降低, 引起基础下沉, 同时液化又使液化层剪切强度大大降低, 墩台受静土压力和地震土压力的作用而沿液化层产生滑移和旋转。 (2) 下部结构的开裂及折断:在墩柱靠近盖梁的顶部或靠近承台底部, 特别容易出现环裂、断裂及露筋等现象。引起下部结构震害的原因是由于结构的薄弱环节强度不足和在地震力作用下容易产生应力集中的部位强度不足。 (3) 支座倾倒及锚栓剪断:支座的震害是由于上部结构过大的地震力所造成, 控制了上部结构的地震力, 这类震害就可避免。 (4) 落梁:地震时上部结构从下部结构上滑落是常见, 也是最重要的震害, 主要发生在顺桥向。引起落梁的原因是下部结构及上部结构振动位移的失控。

2 抗震设计原理

根据《公路桥梁抗震细则》的要求, 抗震结构的设计原理采用极限状态法。地震荷载的计算方法, 一般情况下桥墩应采用反应谱理论计算, 桥台采用静力法。

2.1 桥台水平地震荷载计算

其中:Ehau为作用于台身重心处的水平地震作用力 (kN) ;Gau为基础顶面以上台身的重力 (kN) ;Ci为重要性修正系数;Cz为综合影响系数;Kh为水平地震系数。

2.2 地震时作用于台背的主动土压力计算

式中:Eea为地震时作用于台背每延米长度上的主动土压力 (kN/m) , 其作用点为距台底0.4H处;γ为土的容重 (kN/m3) ;H为台身高度 (m) ;KA为非地震条件下作用于台背的主动土压力系数, 计算公式为KA=cos2φ/ (1+sinφ) 2;φ为台背土的内摩擦角 (°) ;Cz为综合影响系数, 取0.35。

2.3 顺桥向桥墩地震力计算

根据《公路工程抗震设计规范》, 因为全联均采用同类型板式橡胶支座, 而且桥面连续, 顺桥向具有足够强度的抗震联结措施, 水平地震荷载可简化为以下两部分来计算:

(1) 上部结构对板式橡胶支座顶面处产生的水平地震荷载。

式中:Eihs为上部结构对i号墩板式橡胶支座顶面处产生的水平地震荷载 (kN) ;Kitp为第i号墩组合抗推刚度 (k N/m) Kitp=KisKip/ (Kis+Kip) ;Kis为第i号墩板式橡胶支座抗推刚度 (kN/m) ;Kip为第i号墩墩顶抗推刚度 (kN/m) ;β1为相应于桥墩顺桥向基本周期动力放大系数;Gsp为一联上部结构的总重力 (kN) 。

(2) 柔性墩由墩身自重在板式支座顶面的水平地震荷载。

式中:Gtp为桥墩对板式橡胶支座顶面处的换算质点重力 (kN) , Gtp=Gcp+ηGp, Gcp为盖梁重力 (kN) ;Gp为墩身重力 (kN) ;η为墩身重力换算系数;

为考虑地基变形时, 顺桥向作用于支座顶面上的单位水平力在墩身计算高度H/2处引起的水平位移与支座顶面处的水平位移之比值。

3 公路桥梁抗震设计主要措施

(1) 抗震挡块:为防止落梁或主梁错位, 设置了:当桥面横坡小于4%时, 在桥墩台处每一片梁的两侧均设置了顺桥向抗震挡块, 高度60cm、顶宽45cm、底宽60cm;当桥面横坡大于等于4%时, 在桥墩台处每一片梁的两侧均设置了横桥向抗震挡块, 高度60cm、顶宽45cm、底宽75cm, 这种情况除了防止落梁, 还有效抵抗桥面横坡过大而造成的离心力。 (2) 减震橡胶:梁与梁之间、梁与桥台背墙挡块之间设置了20x20x3cm橡胶减震块作为缓冲设施, 以缓冲地震时结构位移产生的撞击力, 避免撞击力过大对梁体造成破坏。 (3) 抗震锚栓:在主梁梁端支座中间设置抗震锚栓, 各梁均设置, 锚栓采用直径32mm圆钢, 外设钢套筒, 钢套筒内采用沥青膏充填。此措施有效抵消了地震时产生的横向力, 防止主梁从支座上滑落。 (4) 抗震拉杆:在相邻两片梁的伸缩端和梁端与背墙之间设置抗震拉杆, 拉杆采用直径40mm圆钢, 以防止落梁破坏, 这种抗震措施成本最低, 但是效果非常明显。此措施有效加强上部结构和下部结构的联系, 以抵抗竖向加速度, 防止上部结构构件从支座上滑落。 (5) 塑性铰加密区:对墩柱的设计我们采用了塑性铰加密区, 在墩柱靠近盖梁的顶部和靠近地系梁底部增设了塑性铰, 提高了墩柱的含筋量, 防止墩柱出现环裂、断裂等现象。

除以上措施外, 还采取了一些抗震措施:在桩顶和柱顶等结构的薄弱环节处设箍筋加密段;加强盖梁的配筋, 提高盖梁的抗剪强度。除此外, 给予以下建议:

(1) 高速公路是国家运输的动脉, 桥梁是路线的重要组成部分, 是交通线上的关键工程。因此桥梁的抗震设计是非常重要且不容忽视的。 (2) 同建筑结构相比, 桥梁对于结构和土共同作用的影响更为敏感, 所以在桥梁的抗震设计中不但要减少结构对动力敏感的薄弱环节, 适当增加结构的延性, 加强施工质量管理;而且要在设计过程中引进动力优化设计概念, 将一座桥作为整体结构, 通过优化分析, 选择合理的桥跨布置及墩台高度和刚度, 达到结构整体对地震响应最小。 (3) 近几十年来, 世界上许多国家广泛开展了桥梁结构抗震措施的研究, 并在实际应用中取得了较大的成果。其中隔震技术的应用是较为理想的抗震措施之一。隔震提供给设计者一个可替代延性设计的方法, 使所设计的结构既能满足正常使用的功能, 又能抵御地震灾害的袭击, 取得较好的经济效益和社会效益。

摘要：路桥梁作为交通运输的咽喉, 是否能抗震防灾并在救灾生命线工程中发挥作用, 以减少次生灾害的发生至关重要。本文主要就我国公路桥梁进行抗震防灾设计原理及相关抗震设计具体措施简要分析。

关键词：公路桥梁,防震,设计