公路桥梁的抗震设计

2024-07-13

公路桥梁的抗震设计（精选十篇）

公路桥梁的抗震设计篇1

“5.12”汶川特大地震发生后, 四川安县交通基础设施遭受重创, 给安县人民带来了巨大的灾难。抗震救灾过程中, 重要交通线上桥梁的破坏, 对交通造成的危害是致命的, 这给桥梁设计人员留下了惨痛的教训。经过现场调查分析, 《公路工程抗震设计规范》 (JTJ004-89) (以下简称《89规范》) 的局部不合理性是桥梁破坏的重要原因。汶川地震发生后, 交通运输部针对桥梁的震害规律, 立刻组织编写了《公路桥梁抗震设计细则》 (JTG/T B02-01-2008) (以下简称《细则》) , 避免以后设计的桥梁在强震过程中出现垮塌现象, 成为制约救灾运输通道的瓶颈。江秀路是辽宁对口援建安县的一条一级路, 横贯安县东西, 它将成为安县东西向的交通大动脉。为了吸取震害带来的经验教训, 此次设计完全按照《细则》的要求, 对墩柱等延性构件, 充分考虑结构的变形能力, 确保在强震作用下不会倒塌;对盖梁、桩基础等能力保护构件按照能力保护设计原理进行设计, 确保在强震作用下不发生塑性变形。同时结合国内外的抗震经验与《细则》的要求, 对江秀路上的桥梁进行了必要的抗震措施设计。本文以江秀路上的秀水河大桥为例, 详细介绍其抗震设计的过程。希望能为同行进行桥梁抗震设计提供有意义的参考。

2 秀水河大桥的基本资料

秀水河大桥是江秀路上的一座重要桥梁, 跨越秀水河, 上部结构为装配式先张法预应力混凝土空心板, 下部结构为柱式墩, 肋板台, 钻孔灌注桩基础 (摩擦桩) 。桥孔布置为5×20m预应力混凝土空心板桥, 桥梁在第1、4号墩上设置伸缩缝, 其余墩顶桥面连续, 中间三孔为一联。本桥全部采用板式橡胶支座, 支座高度为6.3cm, 橡胶层厚度为4.5cm, 1～4号桥墩高度分别为4.774m、4.824m、4.824m、4.773m。以下计算按照中间三孔一联进行抗震计算。

本桥工程区为河流地貌, 水面开阔, 常年有水, 桥址处地势较为平坦, 地形开阔。大地构造单元位于四川台陷绵阳帚状构造西缘, 构造行迹以平缓褶皱为主, 沿线出露地层为侏罗系上统七曲寺组与第四系松散地层。该地区构造活动比较活跃, 为多震区。根据钻孔揭露的地层, 地层岩性为冲击相的第四纪覆盖层, 岩性为亚粘土、卵砾石等, 下部为侏罗系上统七曲寺组的沉积岩, 主要岩性为粉砂岩, 工程特性较好。

3 秀水河大桥的抗震计算过程

“5.12”汶川特大地震后, 安县的抗震设防烈度修改为7度, 地震动峰值加速度为0.15g, 秀水大桥的场地类型为Ⅱ类, 场地卓越周期0.40s。

按照《细则》6.1.3条判断本桥为规则桥梁, 采用橡胶支座的规则桥梁可以按照规范6.7.4条规定, 采用反应谱法进行简化计算。计算时, 其顺桥向水平地震力分别按照下列情况计算。《细则》对桥梁抗震设计按照二级设防标准进行设计, 对于工程场地重现期较短的地震作用为E1地震作用, 对应于第一级设防水准;对于工程场地重现期较长的地震作用为E2地震作用, 对应于第二级设防水准。

3.1 E1、E2地震作用计算

3.1.1 E1地震作用

(1) 上部结构对板式橡胶支座顶产生的水平地震力

$E_{i h s} = \frac{Κ_{i t p}}{\sum_{i = 1}^{n} Κ_{i t p}} \cdot \frac{S_{h 1} G_{s p}}{g}$

式中:Eihs—上部结构对第i号墩板式橡胶支座顶面处产生的水平地震力 (kN) ;

kitp—第i号墩组合抗推刚度 $(k Ν / m) ‚ k_{i t p} = \frac{k_{i s} k_{p}}{k_{i s} + k}_{p}$ ;

kis—第i号墩板式橡胶支座抗推刚度 $(k Ν / m) ‚ k_{i s} = \sum_{j = 1}^{n_{a}} \frac{G_{d} A_{r}}{t}$ ;

ns—第i号墩上板式橡胶支座数量;

Gd—板式橡胶支座动剪切模量 (kN/m2) , 一般取1200 kN/m2;

Ar—板式橡胶支座面积 (m2) ;

∑t—板式橡胶支座橡胶层总厚度 (m) ;

n—相应于一联上部结构的桥墩个数;

kip—第i号桥墩墩顶抗推刚度 (kN/m) ;

Sh1—相对水平方向的加速度反应谱值;

Gsp—一联上部结构的总重力 ( (kN) 。

以2号墩计算为例:

$S_{h 1} = S_{m a x} \frac{Τ_{g}}{Τ}$

式中:Smax—水平设计加速度反应谱最大值;

ci—抗震重要性系数, 取0.5;

cs—场地系数, 取1.0;

cd—阻尼调整系数, 取1.0;

Tg—特征周期, 取0.40s

T—结构自振周期, 按照《细则》附录A计算的2号墩的自振周期为0.665s。

$\begin{array}{l} \frac{Κ_{i t p}}{\sum_{i = 1}^{n} Κ_{i t p}} = \frac{60408.31}{187205.43} = 0.323 \\ G_{s p} = 20650.5 k Ν \end{array}$

$\begin{array}{l} E_{i h s} = \frac{Κ_{i t p}}{\sum_{i = 1}^{n} Κ_{i t p}} \cdot \frac{S_{h 1} G_{s p}}{g} \\ = 0.3223 \times 0.102 g \times 20650.5 \times \frac{1}{g} k Ν \end{array}$

=680.351kN

(2) 墩身与盖梁产生的地震力

Gtp=1379.32kN

$E_{h p} = S_{h 1} \cdot \frac{G_{t p}}{g} = 0.102 g \times 1379.32 \times \frac{1}{g} k Ν = 140.69 k Ν$

则墩底内力:

${\begin{cases} 水平力 ∶ Η = E_{i h s} + E_{h p} = 821.04 k Ν \\ 弯矩 ∶ Μ = Η \times 6.22 = 5106.87 k Ν \end{cases}$

每个墩共有四个桩柱, 则单位内力如下:

${\begin{cases} 弯矩 ∶ Μ = 1276.72 k Ν \cdot m \\ 水平力 ∶ Η = 205.26 k Ν \\ 轴力 ∶ Ν = 2141.2 k Ν \end{cases}$

柱底的内力传给桩顶后, 桩基础在地基中的内力按照m法进行计算

单桩内力如下:

${\begin{cases} 弯矩 ∶ Μ = 1604.5 k Ν \cdot m \\ 轴力 ∶ Ν = 2184.6 k Ν \end{cases}$

3.1.2 E2地震作用的情况

E2地震作用与E1地震作用相比所差之处为重要性系数, E2地震作用下ci=1.7, E1地震作用下ci=0.5, 则 $\frac{E_{2}}{E_{1}} = \frac{1.7}{0.5} = 3.4$ 。

则E2地震作用下:

单柱:

${\begin{cases} 弯矩 ∶ Μ = 4340.85 k Ν \cdot m \\ 水平力 ∶ Η = 697.88 k Ν \\ 轴力 ∶ Ν = 2141.2 k Ν \end{cases}$

柱底的内力传给桩顶后, 桩基础在地基中的内力按照m法进行计算:

单桩:

${\begin{cases} 弯矩 ∶ Μ = 5455.4 k Ν \cdot m \\ 轴力 ∶ Ν = 2184.6 k Ν \end{cases}$

根据计算结果, 此时桥墩与桩基础均进入塑性工作阶段。

3.2 计算墩在水平力作用下的位移

按照《细则》7.4.7条, 求出墩顶的容许位移为19.5cm。

秀水河大桥的桥墩配20根Ф25的钢筋, 利用MIDAS 的Pushover功能, 求出屈服弯矩My=2100kN/m, 则

$Ι_{e f f} = \frac{Μ_{y}}{E_{c} φ_{y}} = 0.0207 m^{4}$

式中:Ieff—桥墩有效截面抗弯惯性矩 (m4) ;

My—屈服弯矩 (kN·m)

Ec—桥墩的弹性模量 (kN/m2) ;

φy—等效屈服曲率 (1/m) 。

采用实际配筋、最不利轴力 (最不利轴力N=2141.2kN) 、材料强度标准值 (采用C30混凝土) , 求出M $_{Ζ c}^{x}$ =2070kN·m。

墩顶的实际水平力 $F = \frac{2070 \times 1.2}{6.23} = 398.72 k Ν$

墩顶位移 $f = \frac{F L^{3}}{3 E_{c} Ι_{e f f}} = 5.17 c m < 19.05$ cm, 满足要求。

3.3 能力保护构件的计算

通过汶川地震的震害规律可以发现:桩基础属于隐蔽工程, 如果在地震中破坏, 难以发现并且维修困难;桥梁盖梁如果在地震中破坏的话, 上部结构将会坍塌;墩柱的抗剪破坏是脆性破坏, 是一种危险的破坏模式, 同时墩柱的潜在塑性铰区域的剪切破坏会大大的降低结构的延性。对于以上破坏形式, 应该重点进行考虑。在秀水河大桥设计过程中, 以上构件均按照能力保护设计原理进行设计, 确保结构在强震作用下不会产生毁灭性破坏。

以下以墩柱潜在塑性铰区的抗剪计算为例说明能力保护的设计方法 (以横桥向为例) 。

$\begin{array}{l} V_{c o} = φ^{0} \frac{Μ_{Η C}^{X} + Μ_{Η C}^{S}}{Η_{n}} \\ = 1.2 \times \frac{2070 + 2070}{4.83} = 1028.57 k Ν \end{array}$

式中:M $_{Η C}^{X}$ 、M $_{Η C}^{S}$ —墩柱上、下端截面按实配钢筋, 采用材料强度标准值和最不利轴力计算的沿横桥向正截面抗弯承载力所对应的弯矩值 (kN.m) ;

Hn—一般取为墩柱的净长度 (m) 。

在秀水河大桥的墩柱潜在塑性铰区域采用Ф14螺旋筋, 螺距为8cm, 则:

抗剪承载力

$\begin{array}{l} = φ (0.0023 \sqrt{f^{'}_{c}} A_{c} + 0.1 \times \frac{2 \times 1.45 \times 110}{8} \times 280) \\ = 0.85 \times (0.0023 \times \sqrt{20.1} \times 3.1415 \times 51^{2} + 0.1 \times \frac{2 \times 1.54 \times 110}{8} \times 280) \\ = 0.85 \times (84.26 + 1185.8) = 1079.551 k Ν > 1028.57 k Ν \end{array}$

满足要求。

4 秀水河大桥的抗震措施设计

按照《细则》3.1.4条规定, 7度抗震区的B类桥梁, 应该按照8度抗震区抗震措施进行设计。

4.1 纵向防落梁措施

《细则》第11.2.1条规定, 简支梁梁端至墩、台帽或者盖梁边缘应有一定的距离, 其最小值为a≥70+0.5L, 式中 L为梁的计算跨径 (m) , a的单位为cm, 这条规定比《89规范》中要求的要严格, 从汶川地震的震害规律来看, 大量的落梁现象说明《89规范》的规定偏小, 不安全。汶川地震以前, 20m跨径的空心板墩盖梁的宽度按照《89规范》进行设计, 为1.4m宽, 而按照《细则》的规定, 秀水河大桥20m空心板的墩盖梁按照1.65m宽度进行设计。同时结合汶川地震的震害规律, 限制了在秀水河大桥中设计高垫石, 因为梁板实际是搭接在垫石上面, 而梁板与垫石搭接长度很小, 地震过程中梁板很容易从垫石上面脱落, 如果高差很大, 就会砸坏盖梁, 引起落梁。

4.2 横向防落梁措施

桥梁挡块距离梁板边缘的距离按5cm考虑, 挡块宽度不小于30cm, 盖梁端部悬出挡块外边缘10cm。板边与挡块边缘的距离以往按照2.5cm进行控制, 该规定与《细则》的思想有些相悖:如20m跨径空心板桥, 支座选用6.3cm, 其橡胶层的厚度为4.5cm, 也就是允许橡胶支座在E2时候发生4.5cm的变形, 如果板边与挡块边缘的距离按照2.5cm进行控制, 就限制了支座的正常变形, 使地震力过早的通过挡块传给下部结构, 对下部结构不利。按照5cm进行设计的话, 既不会限制支座的正常变形, 又会在过大的横向变形情况下, 阻止横向落梁。

挡块是阻止横向落梁的主要措施, 挡块的横向尺寸不应小于30cm。为使挡块的主筋与盖梁的主筋能够更好的结合, 特将挡块向盖梁内侧移10cm, 确保两者能够结合良好, 内移10cm后, 增加了安全距离, 减小了横向落梁的可能性。

4.3 空心板的板端设置弹性橡胶块 (厚度1cm)

强震作用下, 空心板板端之间、板端与背墙之间将发生互相碰撞, 为了确保空心板与背墙不会在地震中相互碰撞破坏, 在板端均设置了弹性橡胶块。

4.4 加强的螺旋箍筋的设置

新的抗震设计细则, 允许墩柱发生较大的塑性变形, 利用墩柱的塑性变形耗散地震力, 但是必须确保墩柱不会出现脆性破坏。墩柱的螺旋箍筋对塑性铰区的混凝土会产生套箍效应, 提高塑性铰区混凝土的变形能力。以往的墩柱螺旋箍筋都是直径为8mm的一级钢, 加密段箍筋间距为10cm, 按照《细则》要求, 秀水河大桥墩柱潜在塑性铰区的螺旋箍筋都是按照直径14mm的二级钢, 加密段箍筋间距为8cm。大大的增强了墩柱潜在塑性铰区的变形能力。

5 总结

由于秀水河大桥设计时, 《细则》刚刚颁布, 桥梁设计工程师刚刚开始摸索《细则》的设计原理, 该桥的设计为其他同类型桥梁抗震设计提供了参考。

参考文献

[1]JTG/T B02-01—2008, 公路桥梁抗震设计细则[S].

基于性能的桥梁抗震设计方法篇2

对我国现行的桥梁抗震设计方法进行了分析,并对基于性能的.抗震设计方法的理论进行了阐述,最后分析比较了我国现行桥梁抗震设计方法与基于性能的抗震设计方法,为完善桥梁抗震设计方法提供理论依据.

作者：曲慧李振兰 QU Hui LI Zhen-lan 作者单位：曲慧,QU Hui(同济大学,上海,92)

李振兰,LI Zhen-lan(辽宁省抚顺市城市管理局市政园林管理中心,辽宁,抚顺,113006)

探讨桥梁工程抗震设计问题篇3

关键词：桥梁震害分析抗震设计

前言

地震灾害瞬间造成山崩地裂，房倒屋塌，对人们的生产生活造成极大的破坏和影响，甚至威胁人民群众的生命财产安全，是世界性的自然灾害之一。我国处于环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇部位，地震频发，是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一。如2013年4月，四川雅安大地震，震中芦山县龙门乡99%以上房屋垮塌，停水停电，卫生院、住院部停止工作。山西省地处汾渭地震带上，历史上关于大型的地震灾害也有记载，防震减灾同样不容忽视。

地震对道路桥梁的破坏相当大。汶川地震后，由于路堤破坏，道路毁损，造成交通中断，对灾害救援工作造成了极大的困难，本文通过对汶川震后公路桥梁的震害分析，并说明了公路桥梁抗震设计的建议。

1、桥梁震害及分析

在汶川地震中，桥梁震害主要有以下几种类型：

1）桥梁上部结构震害，在地震中，桥梁上部结构的震害主要有以下几种类型：

a.自身震害，主要是桥梁自身的钢结构发生的局部屈曲破坏。

b.移位震害（见图1），是一种破坏性地震中极为常见的震害形式，多发生在伸缩缝设置的位置，一般表现为桥梁的上部结构出现纵（横）向移位或扭转移位。

c.碰撞震害，包括相邻跨上部结构的碰撞、上部结构与桥台的碰撞以及邻梁间的碰撞等。

2）桥梁支座震害

在桥梁结构中，桥梁支座本身就是抗震性能比较薄弱的一个环节。根据国内外发生的破坏性地震桥梁震害统计表明，支座的破坏比较普遍，主要表现为：支座发生位移、锚固螺栓拔出、剪断、脱落等。其主要原因有：支座设计中，没有充分考虑到抗震的性能要求；在施工中，支座连接与支挡等措施不足；使用的支座类型选择或是支座材料本身的缺陷等。

3）桥梁下部结构震害

在地震中，桥梁下部结构的震害主要有以下几种类型：

a.墩柱的弯曲破坏，是一种常见的桥梁震害形式，主要表现为墩柱混凝土开裂、剥落压溃、钢筋裸露和弯曲等，同时产生很大的塑性变形。其主要原因是在墩柱的施工中，由于约束箍筋配置不足、纵向钢筋的搭接或焊接不牢等导致的延性能力不足而产生的。

b.框架墩的震害，包括剪切强度不足导致的剪切破坏、弯曲破坏以及钢筋锚固长度不足导致的破坏，主要表现为盖梁破坏、墩柱破坏以及节点破坏等。节点破坏主要表现为剪切破坏。

c.桥台震害，是一种常见的桥梁震害形式，包括地基丧失承载力导致的桥台滑移、台身与上部结构的碰撞破坏和桥台倾斜等。

4）基础震害

在国内外的许多地震中，桥梁基础震害是一种比较常见的震害形式，包括地基失效、桩基剪切弯曲破坏、桩基设计不当所引起的震害等。

据统计，在汶川1657座公路桥梁中，1.6%的桥梁完全损毁，6.6%的桥梁严重破坏，9.0%的桥梁中等破坏，26.5%的桥梁轻微破坏，56.3%的桥梁未出现明显震害。在汶川地震后，震区的道路桥梁遭到了全面破坏，极大的影响了救援的展开，给国家、社会和人民的生命财产造成了极大的损失。可以看出，公路鐵路梁的抗震抗灾能力，对人民的生命财产安全有着直接的影响。

如何降低和减少桥梁震害，是我国公路建设者需要面对的一个难题。2008年8月，在铁道学会召开的“地震灾害对铁路的影响及对策学术研讨会”上，与会的专家普遍认为：加强“减隔震技术”的应用，对于降低桥梁震害具有重要意义，应大力推广使用“减隔震”的设计理念，以代替传统的“抗震”设计理念。

3、增加桥梁抗震结构的其他设计

桥梁结构的抗震设计就是在桥梁强度、刚度、稳定性以及延性和吸收耗能等方面有一种最佳的选择，实现桥梁“小震不坏、中震可修、大震不倒”的目的，应结合桥梁的抗震类别、地质条件、土壤条件等因素，通过技术、经济和使用条件综合比较后确定。还可以通过增加桥墩箍筋设置、增加桥台强度、桥墩强度、桥墩的延性、增设连梁装置等多种途径来提高桥梁的抗震结构。

4、对我国桥梁抗震设计规范的建议

我国现行的《公路工程抗震设计规范》在设计思想、设计方法、构造措施和条文可执行性等方面显得落后许多。近十几年发生在世界各地的大地震给桥梁结构造成了重大破坏，同时也促进了桥梁抗震设计规范的修订工作。规范的修订主要参考了近十几年来的地震震害经验，同时借鉴了结构抗震研究领域的最新研究成果。新规范的发展动向有以下几个方面：

（1）抗震设防标准。这是桥梁结构抗震设计的最基本问题。过去的几十年的时间里，研究者和工程师都提出分级抗震设防的原则：即小震不坏；中震发生有限的结构或非结构构件的破坏；大震发生严重的结构和非结构构件的破坏，但不产生严重的人员伤亡；而在可能袭击工程场地最严重的地震作用下，结构不倒塌。这些基本的结构性能目标今天被大多数的设计规程所采用。但传统的作法是，只针对单一的地震作用水平进行结构的抗震设计。现在的问题是针对每一个目标都结出相应的具体设计程序。这样一来，就需要对目前实际上还是单一水准强度抗震设计原则进行修订，采用多水准、多设防目标和多阶段的抗震设计原则。

（2）构造细节。桥梁结构抗震设计中的许多问题目前还不能完全通过定量化方法加以解决。因此根据震害经验、概念设计和定性研究的结果提出构造细节方面的要求，对保证桥梁结构的抗震安全十分重要。美、欧等国家的桥梁结构抗震设计规范和准则都已十分重视这一点。我国现行的《公路工程抗震设计规范》在这方面明显不足，新编的《城市桥梁抗震设计规范》将特别注意这方面的问题。

（3）延性和位移设计。传统的桥梁抗震设计采用强度设计方法，即使考虑到延性和位移，也是通过强度指标间接地实现。现在人们越来越认识到了位移在桥梁结构抗震设计中的重要性，很多研究者和工程师建议在抗震设计中直接使用位移为设计参数，这样就将形成多参数抗震设计方法：在这方面，各种非弹性反应谱的研究和应用工作一直在进行。一些建筑结构抗震设计指南和准则已经引入了位移设计的概念和方法。

3、结语

目前地震虽然是不可控制的，但只要我们加强对桥梁震害及抗震机理的深入研究，在桥梁设计过程中认真分析地震时结构的特征和反应，精心采取一系列科学有效的抗震设计，制定先进的抗震设防原则，严格控制工程质量，就一定能将地震损失降到最小，并确保交通运输线路的畅通无限。

参考文献

[1] 国家质量技术监督局. GB/T17742-1999，中国地震烈度表[S].

桥梁的抗震设计浅析篇4

1 桥梁的震害及特征

对国内外震害的调查表明, 在过去的地震中, 有许多桥梁遭受了不同程度的破坏, 其主要震害有以下几点。

(1) 桥台震害。桥台的震害主要表现为桥台与路基一起向河心滑移, 导致桩柱式桥台的桩柱倾斜、折断和开裂:重力式桥台胸墙开裂, 台体移动、下沉和转动;桥头引道沉降, 翼墙损坏、开裂, 施工缝错工、开裂以及因与主梁相撞而损坏。桥台的滑移与倾斜会进一步使主梁受压破坏, 甚至使主梁坍毁。

(2) 桥墩震害。桥墩震害主要表现为桥墩沉降、倾斜、移位, 墩身开裂、剪断, 受压缘混凝土崩溃, 钢筋裸露屈曲, 桥墩与基础连接处开裂、折断等。

(3) 支座震害。在地震力的作用下, 由于支座设计没有充分考虑抗震的要求, 构造上连接与支挡等构造措施不足, 或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素, 导致了支座发生过大的位移和变形, 从而造成如支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等, 并由此导致结构力传递形式的变化, 进而对结构的其他部位产生不利的影响。

(4) 梁的震害。桥梁最严重的震害现象是主梁坠落。落梁主要是由于桥台、桥墩倾斜、倒塌, 支座破坏, 梁体碰撞, 相邻墩间发生过大相对位移等引起的。

(5) 地基与基础震害。地基与基础的严重破坏是导致桥梁倒塌, 并在震后难以修复使用的重要原因。地基破坏主要是指因砂土液化、不均匀沉降及稳定性不够等因数导致的地层水平滑移、下沉、断裂。基础的破坏与地基的破坏紧密相关, 地基破坏一般都会导致基础的破坏, 主要表现为移位、倾斜、下沉、折断和屈曲失稳。

(6) 另外桥梁结构的震害还表现在:结构构造及连接不当所造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成的桥台沉降或斜度过大而造成墩台承受过大的扭矩引起的破坏。

2 桥梁的抗震设计

桥梁的抗震设计应分两阶段进行:1) 在方案设计阶段进行抗震概念设计, 选择一个较理想的抗震结构体系;2) 在初步或技术设计阶段进行延性抗震设计, 并根据设计思想进行抗震能力验算, 必要时进行减、隔震设计提高结构的抗震能力。

2.1 抗震概念设计

由于地震发生的不确定性和复杂性, 再加上结构计算模型的假定与实际情况的差异, 使“计算设计”很难控制结构的抗震性能, 因而不能完全依赖计算。结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。因此, 在桥梁的方案设计阶段, 不能仅仅根据功能要求和静力分析就决定方案的取舍, 还应考虑桥梁的抗震性能, 尽可能选择良好的抗震结构体系。在抗震概念设计时, 要特别重视上、下部结构连接部位的设计, 桥墩形式的选取, 过渡孔处连接部位的设计以及塑性铰预期部位的选择。

为了保证所选择的结构体系在桥址处的场地条件下确实是良好的抗震体系, 必须进行简单的分析 (动力特性分析和地震反应评估) , 然后结合结构设计分析结构的抗震薄弱部位, 并进一步分析是否能通过配筋或构造设计, 保证这些部位的抗震安全性。最后, 根据分析结果综合评判结构体系抗震性能的优劣, 决定是否要修改设计方案。

2.2 常用的抗震设计方法

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点。

(1) 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、台的连接处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应;采用减、隔震支座桥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。

(2) 采用隔震支座和阻尼器相结合的系统。利用桥墩在地震作用下发生弹塑性变形耗散地震能量以达到减震的目的, 利用桥墩的延性抗震。近20年来, 国外在桥梁减、隔震和延性抗震方面进行了许多研究, 美国、新西兰和日本等在桥梁设计规范中都列入了相应的条款。

(3) 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, 桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性, 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。

2.3 新型桥梁抗震设计方法

传统桥梁的抗震设计, 是从强度和延性等方面来确保桥梁具有足够的抗震能力, 使之在地震作用下不垮。然而由于人们尚难以准确估计桥梁结构的抗震能力和地震作用, 因而桥梁结构在地震中严重破坏或倒塌的例子很多。型钢混凝土结构是在混凝土上包裹型钢做成的结构。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一倍以上, 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。型钢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、E型、T型等, 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。

3 结语

为了使桥梁等基础设施更高效安全的服务于我国现代化建设, 根据目前的现状, 在提高桥梁的抗震设计方面, 建议加强以下几方面的研究工作。

(1) 加强桥梁施工、控制技术与桥梁抗震加固新技术的研究。

(2) 桥梁的地震分析本质上是一种结构的随机震动计算, 理应发展桥梁抗震的随机分析方法。桥梁地震破坏不能单独看作是结构的强度不足所致, 需由传统的强度理论向延性抗震理论转变。

(3) 现在各种减隔震装置的应用效果、各种控制算法等均得到了广泛的关注, 应加强桥梁结构各种减隔震、地震动控制的研究。

参考文献

[1]尹建坤, 等.桥梁结构分灾抗震设计方法的研究[J].交通标准化, 2008, 5.

[2]李子奇, 等.土与结构相互作用对桥梁抗震[J].2008, 5.

桥梁抗震加固设计方案篇5

引言

随着我国现在化城市和经济的飞速发展,交通线路的重要性越加突出,公路交通是国民经济大动脉,同时,也是抗震救灾生命线工程之一。桥梁工程是公路工程的咽喉要道,在保障公路通畅中起着至关重要的作用。而一旦地震使交通线路瘫痪,将会给国家和人民带来极大的损失和不便。大跨度桥梁是交通运输的关键枢纽,对其进行有效的抗震设计,确保其抗震安全性意义深远。

一、大跨度桥梁抗震设计发展

大跨度桥梁的抗震设计是一项综合性的工作,反应比较复杂,相应的抗震设计也比较复杂。目前,国内外现有的大多数桥梁工程抗震设计规范只适用于中等跨径的桥梁,超过使用范围的大跨度桥梁则无规范可循。我国公路大跨度桥梁的抗震设计规范仍在初步阶段,存在许多需要进一步解决的问题。近年来,美国、日本等一些国家的地震工程专家提出了分级设防的抗震设计思想,一般可概括为:小震不坏、中震可修、大震不倒。我国《公路工程抗震设计规范》规定地震烈度7度以上地区的新建桥梁都必须抗震设防。其中,最主要的建议是要采用两水平的抗震设计方法,即要求结构在两个概率水平的地震作用下,分别达到两个不同的性能标准。

二、抗震设计

“小震不坏,中震可修,大震不倒”的分类设防抗震设计思想已广为接受,而能力设计思想也越来越广泛地被国内外专家学者所接受。能力设计思想要求在一座桥梁内部建立合理的强度级配,以保证地震破坏只发生在预定的部位,而且是可控制的。具体来说,要选择理想的塑性铰位置并进行仔细的配筋设计以保证其延性抗震能力;而不利的塑性铰位置或破坏机制(脆性破坏)则要通过提供足够的强度加以避免。大跨度桥梁的抗震设计应分两阶段进行:1)在方案设计阶段进行抗震概念设计,选择一个较理想的抗震结构体系;2)在初步或技术设计阶段进行延性抗震设计,并根据能力设计思想进行抗震能力验算,必要时进行减、隔震设计提高结构的抗震能力。

1、抗震概念设计

对结构抗震设计来说,“概念设计”比“计算设计”更为重要。正是由于地震发生的不确定性和复杂性,再加上结构计算模型的假定与实际情况的差异,使“计算设计”很难控制结构的抗震性能,因而不能完全依赖计算。结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。因此,在桥梁的方案设计阶段,不能仅仅根据功能要求和静力分析就决定方案的取舍,还应考虑桥梁的抗震性能,尽可能选择良好的抗震结构体系。在抗震概念设计时,为了保证桥梁结构的经济性和抗震安全性,要特别重视上、下部结构连接部位的设计,桥墩形式的选取,过渡孔处

连接部位的设计以及塑性铰预期部位的选择。通常允许桥梁结构在强震下进入塑性工作状态,在预期的部位形成塑性铰以耗散能量,但不允许出现脆性破坏,如剪切破坏。为了保证所选择的结构体系在桥址处的场地条件下确实是良好的抗震体系,必须进行简单的分析(动力特性分析和地震反应评估),然后结合结构设计分析结构的抗震薄弱部位,并

进一步分析是否能通过配筋或构造设计保证这些部位的抗震安全性。最后,根据分析结果综合评判结构体系抗震性能的优劣,决定是否要修改设计方案。

2、延性抗震设计

桥梁的延性抗震设计应分两个阶段进行:1)对于预期会出现塑性铰的部位进行仔细的配筋设计;2)对整个桥梁结构进行抗震能力分析验算,确保其抗震安全性。这两个阶段可以反复,直到通过抗震能力验算,或进行减、隔震设计以提高抗震能力。

3、桥梁减、隔震设计

减、隔震技术是简便、经济、先进的工程抗震手段。减、隔震装置是通过增大结构主要振型的周期使其落在地震能量较少的范围内或增大结构的能量耗散能力来达到减小结构地震反应的目的。在进行抗震设计时,要根据结构特点和场地地震波的频率特性,通过选用合适的减隔震装置、相应参数以及设置方案,合理分配结构的受力和变形。一方面,应将重点放在提高吸收能量能力从而增大阻尼和分散地震力

上,不可过分追求加长周期。另一方面,应选用作用机构简单的减、隔震体系,并在其力学性能明确的范围内使用。减、隔震设计的效果,需

要进行非线性地震反应分析来验证。

大量研究表明,最适宜进行减、隔震设计的情况主要有:

1)桥梁墩柱较刚性,即自振周期较小;

2)桥梁很不规则,如墩柱的高度变化较大,有可能导致受力不均匀;

3)预测的场地地震运动的能量主要集中在高频分量,而低频分量的能量较少(浅震、近震、岩石地基)。因此,要根据结构特点和场地震动特点决定是否要进行减、隔震设计,以及采取什么减、隔震装置。

近年来国内外学者提出在桥梁结构中设置粘滞阻尼器来改善结构的抗震性能,已在多座桥梁中得以应用。有研究表明:将隔震支座与粘滞阻尼器组合使用既能减小结构地震力,又能有效地控制梁体位移及墩、梁相对位移。

三、抗震加固技术

在决定一座桥梁是否如何加固以前,应先评估其抗震能力。主要是先决定墩柱的破坏形式及墩柱的最大延性能力,其次计算整体屈服的地震加速度及整体的最大延性能力,最后算出桥梁的抗震能力Ac值。

1、桥梁震害介绍

从我国历次破坏地震中,调查得到的公路桥梁震害产生的主要原因有以下几类:

(1)支承连接件失效———由于上下部结构产生了支承连接件不能承受的相对位移,使支承连接件失效,上部与下部结构脱开,导致梁体坠毁。由于落梁的强烈冲击力,下部结构将遭受严重破坏。支承连接件失效的原因,主要是设计低估了相邻跨之间的相对位移。为了解决这个问题,目前国内外的通常做法是增加支承面宽度和在简支的相邻梁之间安装纵向约束装置。

(2)下部结构失效———主要是指桥墩和桥台失效。桥墩和桥台如果不能抵抗自身的惯性力和由支座传递来的上部结构的地震力,就会开裂甚至折断,其支承的上部结构也将遭受严重的破坏。

钢筋混凝土柱式桥墩大量遭受严重损坏,是近期桥梁震害的一个特点。其原因主要是横向约束箍筋数量不足和间距过大,因而不足以约束混凝土和防止纵向受压钢筋屈曲。目前的解决办法是通过能力设计和延性设计,使桥梁的屈服只发生在预期的塑性铰部位,其余结构保持弹性。

(3)软弱地基失效———如果下部结构周围的地基易受地震震动而变弱,下部结构就可能发生沉降和水平移动。如砂土的液化和断层等,在地震中都可能引起墩台的毁坏。地基失效引起的桥梁结构破坏,有时是人力所不能避免的,因此在桥梁选址时就应该重视,并设法加以避免。如果无法避免时,则应考虑对地基进行处理或采用深基础。

2、研究现状

针对桥梁在地震中的震害类型,目前,国内外桥梁抗震加固主要采

取以下技术措施:

(1)在伸缩缝、铰和梁端等上部接缝处采用拉杆、挡块或者增加支承面宽度等措施,以防止落梁震害的发生;

(2)增加钢筋混凝土桥墩的横向约束,提高其抗弯延性和抗剪强度,防止桥墩弯曲和剪切震害;

(3)采用减隔震技术及专门的耗能装置,提高桥梁的抗震性能。例如采用铅芯橡胶耗能支座等。对隔震而言,利用周期、阻尼与位移等相依变量进行参数分析,配合加固目标的订定,最后提出结合位移设计法的隔震装置加固设计程序。隔震装置的分析采用铅芯橡胶支座(LRB)以及摩擦单摆支座(FPS)两种。对减震而言,亦可结合位移设计法进行减震加固设计。可使用替代结构法,将结构以等效劲度及等效阻尼比以线性迭代的方式来进行粘滞性阻尼器的加固设计。

3、发展趋势

从桥梁震害调查中发现,遭受严重破坏和倒塌的桥梁结构,绝大部分是源于落梁和抗弯延性不足。因此,国外主要的多震国家,开始强调桥梁结构整体的延性能力,其它一些国家则在原有规范的基础上,也相应地对保证桥梁结构整体的延性能力,并通过设计和构造保证桥梁结构的整体延性能力。为了保证结构的整体延性能力,目前通常的做法是增加防落梁构造措施和在预期出现塑性铰的关键部位增加横向约束,以提高桥墩的抗弯延性和抗剪强度。从加固的对象上来看,美国、日本等桥梁抗震加固水平最高的国家,已经把加固的重点从以前单一的防落梁构造措施,转移到重视桥墩整体延性上来,以保证加固后的桥梁与新建桥梁的抗震能力相当。国内外地震工程研究人员总结了近年来国内外的震害资料,开始检讨过去单纯“强度抗震”设计的指导思想,研究考虑基于性能的抗震设计原则。基于性能的设计被广泛的认为是未来结构抗震设计规范的基本思想。抗震设计的性能指标,可以是单一指标,也可以是多指标或组合指标。在研究手段方面,整个抗震工程学都出现了越来越重视和依靠地震模拟试验的发展趋势。应该注意到现在的试验已经不再是传统意义上的简单试验,而是和现代科技融为一体的高科技试验.四、结语

桥梁抗震性能的一些认识篇6

关键词：桥梁；抗震性能；地震；建设

在进行高墩桥梁建设的时候，一定要考虑的当地的地形，因地制宜的进行桥梁设计，做好抗震设计，保证桥梁施工的安全，提高抗震的能力，从而促进经济的健康发展。近年来，我国的各个地区发生着或大或小的地震，尤其是08年的汶川大地震给我国带来的经济损失和人们造成的心灵伤害都是深重。桥梁作为是重要交通要道，在灾难发生，我们通常需要依赖桥梁将救灾物资和救灾人员从外地运到灾区，所以桥梁的抗震性能与人们的生命财产安全有着密不可分的关系。将桥梁抗震性能作为建设桥梁的重中之重，是为了最大限度的保证人民生命财产的安全。只有在建设中贯彻安全的设计规范，保证桥梁的抗震性能达标，在灾难来临的时候，我们还能保有一条通往希望的道路。

1 在地震中桥梁易产生的破坏点及其原因

提高桥梁的抗震性能，最主要的是要对症下药。只有知道了在地震中桥梁容易出现损害的地方，以及出现损害的原因，然后根据这些根源找出解决方法，从根本上解决问题，才能提高桥梁的抗震性能。从国内外近年来发生的一些大地震的资料来看，公路桥梁的震害现象是有一定的规律，归纳起来有如下几种。

（1）是上部结构的震害。桥梁的上部结构在地震中出现损害是比较常见的，震害主要有三种类型：分别是碰撞震害、移位震害和自身震害。

（2）是支座的震害。因为在传统的桥梁设计中，支座部分没有充分考虑到抗震的要求。在地震时，由于一些结构措施不当或是材料上的缺陷等因素，支座部分由于受力较大而发生变形或是意味，这样与支座部分相连的机构也相应的发生移位，破坏了桥梁的结构，造成危险。

（3）是地基土产生地震液化造成的震害。地基是桥梁的支撑部分，地基一旦被地震液化，失去支持作用，很有可能会造成落梁的情况出现。而且由于地基软弱，在地震时，地基不可避免的会被液化，这样地基就会失效，地基上面的结构物会发生整体的倾斜或是下沉等严重变形，这样的变形对桥梁来说是致命的，因为会直接导致桥梁的整个结构发生变化，发生严重的震害。

（4）下部结构的震害。由于下部结构较软弱，地震力过大时，下部结构的自身惯性力无法抵抗，会导致桥梁下部结构发生破坏，进而引起整个桥梁的破坏。

（5）由于桥梁自身结构不够合理而造成的震害，一些桥梁在設计时不够科学合理，在连接上留下了缝隙，一旦地震发生，这些缝隙就会成为地震力的突破口，进而破坏整个桥梁。

2 提高桥梁抗震性能的几点方法

抗震理念应该贯穿在整个桥梁的设计过程中，从设计方案开始注重桥梁的抗震性能，通过反复的实验和推敲来确定桥梁方案。实用的抗震方法，是通过增加结构的柔性来延长结构的自振周期，这样一来可以增加结构的阻尼并减小地震载荷，二来可以减小地震所引起的结构反应，实质就是减小地震的危害。目前来说，比较有效和容易实现的提高桥梁的抗震性能的方法有如下几种：

2.1 隔震支座法

隔震支座法是在抗震应用的较为广泛的方法。这种方法是通过增加结构的柔性和阻尼来减小桥梁的地震反应的。具体做法是采用减、隔震支座在梁体与墩、台的连接处，通过设计或是应用新材料来实现结构柔性和阻尼的增加。这个方法是有大量的实验理论依据作支撑的，很多试验的分析结果都反映出桥梁连接处的结构与对地震的反应是有着直接关系的。以上的连接方法可以有效的减小墩、台所受的水平地震力，从根本上减小了地震的影响，提高了桥梁的抗震性能。

2.2 利用桥墩延性

桥墩的延性是抗震设计中可以加以利用的特点。由于桥墩自身是具有延性的，将这一性质加强。在强震时，这些部位形成的稳定延性塑性铰可以产生弹塑性变形，这样变形将延长结构的周期同时耗散地震的能量。利用桥墩自身加强的延性，将地震力通过限度内的塑性变形渐渐分散，是在桥梁设计中比较容易实现的抗震方法。延性的抗震设计，需要根据弹性反应来计算塑性变形的程度，然后根据抗震等级进行修正，尽可能提高桥梁的抗震载荷。在桥梁的抗震设计规范中，综合影响系数用来反映塑性变形程度，所以根据综合系数可以知道桥梁的抗震能力。

2.3 采用隔震支座和阻尼器相结合的系统

隔震支座法可以提高桥梁的抗震性能，增加对地震力的阻尼也是提高桥梁性能的方法，将二者结合起来，抗震性能加倍。隔震支座和阻尼器可以在地震的作用下，加强桥墩的弹塑性变形从而耗散地震能量，使地震的危害减小，也就是加强了桥梁的抗震性。

2.4 引进新型桥梁的抗震设计方法

在传统的桥梁抗震设计中，主要方法是用“蛮力”，也就是通过提高强度和增强延性来保证可以抵御地震的能力，自身的力比地震的力大时，当然可以岿然不动。但是这种方法应用在实际中时，其抗震能力是不得而知的，而地震的作用也是无法预知的。当两个未知因素，在实际的情况时发生，与人们所期待的结果相反，桥梁自然遭到损害了，这样的例子在实际中是很多的。新型的桥梁设计多采用型钢混凝土结构，这种结构与传统的混凝土结构有着很多先进之处。因为型钢混凝土结构的承载能力高于同样外形的钢筋混凝土的一倍以上，而且前者抗剪能力、延性都明显的高于后者，这样抗震能力自然得到提到。除此之外，新型的型钢混凝土结构能够吸收、隔离和耗散地震能量，将桥梁的地震反应减小，从而避免了较大的变形造成的不可恢复的变形。这样的结构不但提高了桥梁结构的安全度，而且还可以节约材料、降低造价，可以说是首选的抗震方法。

3 总结

地震是不可避免的，我们能做的是在地震出现之前尽一切可能做好抗震工作。提高桥梁的抗震性能是当前我国目前要致力解决的问题。根据个人认识提出了一些提高桥梁抗震性能的方法，旨在抛砖引玉，希望有人能提出更好的解决方法。诚然，我国的桥梁的建设技术与国外存在的一定的差距，但是这种差距正在不断的缩小，有越来越多的人意识到抗震的重要性，投入到提高桥梁抗震性能的研究中。有理由相信，随着人们重视程度的加深，各方面的投入不断加大，提高桥梁抗震性能的技术会得到不断的提高，我们的桥梁可以在重要的时刻恪守职责，为人民的生命财产安全站好岗。

参考文献

[1]任继仓，谢瑞新，杨中文.桥梁抗震设计探究[J].公路交通科技（应用技术版），2008，（09）.

[2]包绍伦，余培玉.欧洲桥梁抗震设计及计算方法[J].公路，2008，（09）.

[3]宋巨锋，王小旭.桥梁的抗震设计浅析[J].科技资讯，2009，（02）.

[4]曾辉.论桥梁的抗震设计及其在我国的应用[J].科技资讯，2009，（02）.

桥梁抗震设计措施的改进篇7

《公路抗震设计规范》JTJ 004-89是现行的公路抗震标准。条文规定:桥面不连续的简支梁 (板) 桥宜采用挡块等防止纵横向落梁的措施, 桥面连续简支梁 (板) 桥, 应采取防止横向产生较大位移的措施。

一般的桥梁挡块均设置在桥墩 (台) 盖梁的两侧, 如图1所示。为了桥梁的外观简洁, 挡块侧面与盖梁侧面齐平。这样, 在一般小烈度地震作用下, 并没有发现不妥。

2 安县地震桥梁挡块破损现象

根据辽宁省交通勘测设计院的《四川安县县乡公路桥梁震后检测情况汇报》2008年7月, 其中有很多桥梁挡块破损的内容, 如图2、图3为几座典型照片。

在四川地震灾区, 上面挡块破损的现象很普遍。简化裂缝模式如图4, 这说明, 我们的挡块设计是不稳妥的, 需要改进。

3 裂缝原因受力分析

首先应对挡块的最薄断面进行地震力验算, 按照《抗震规范》的相关公式, 水平地震荷载, 应按下式计算:

Ehs=CiCzKhGs

式中 Ci—重要性修正系数;

Cz—综合影响系数, 取Cz=0.25;

Kh—水平地震系数;

Gs—整体桥梁上部的重力 (kN) ;

Ehs—作用于挡块的水平地震荷载 (kN) 。

某高速公路 (设计速度100km/h, 路基全宽26m) , 跨径20m的空心板桥的墩挡块配筋图, 如图5。其中的1#钢筋是16根ϕ12的HRB400。

Ci—重要性修正系数取1.7;

Kh—水平地震系数按基本烈度为7度地区, 取0.1;

Gs—跨径20m空心板的整体桥梁上部的重力为2545.4kN;

则作用于挡块的水平地震荷载Ehs=1.7×0.25×0.1×2545.4 = 108.2kN。

假设水平地震荷载作用于挡块顶端, 则挡块承受的弯矩为M=108.2×0.3=32.46kNm;剪力为Q=108.2kN。

矩形截面尺寸见图5, 实际所承受的弯矩组合设计值为32.46×1.2=38.95kNm。配筋验算如下:结构重要性系数为1.0, 混凝土为C30, HRB400钢筋。

fcd=13.8MPa, ftd=1.39MPa, fsd=330MPa,

ζb=0.53, 挡块有效高度h0=250-47=203mm, 则

xb=ξbh0=0.53×203=107.59mm。

截面所能承受的最大弯矩组合设计值为:

$Μ_{d b} = f_{c d} b x_{b} (h_{0} - \frac{x_{b}}{2}) = 13.8 \times 1400 \times 107.6 \times (203 - 107.6 / 2) = 310.2$ kN·m

由此进行配筋计算, 可知截面所能承受的最大弯矩组合设计值310.2kN·m, 远远大于实际所承受的弯矩组合设计值38.95kN·m。说明桥梁挡块本身是安全的, 而进一步分析, 桥墩 (台) 盖梁本身亦为安全的。那么, 桥梁破损的原因应该出在别处。

目前所做挡块, 均从挡块与盖梁衔接处, 以向下45°角开裂。分析是在桥梁施工期间, 挡块的竖向受力钢筋, 与盖梁的受力钢筋绑扎并不妥当, 甚至盖梁的主受力钢筋偏短, 与挡块的竖向受力钢筋脱离, 所以形成上述破坏现象。

4 建议改进措施

综合上述分析, 建议桥梁挡块适当向盖梁中心移动, 形成小台阶, 这样就避免了盖梁的主钢筋与挡块竖向钢筋脱离的问题, 如图6所示, 实施效果会更好一些。

5 结束语

目前我国高速公路还处于建设的高峰期, 还有很多高速公路桥梁需要建设。作为设计工作者, 需要不断完善自己的设计作品, 更好地服务于公路建设。真诚希望通过本文, 结合四川省地震桥梁破损的经验和教训, 使我们的桥梁设计、建设和管理者能深刻认识桥梁破损对社会经济造成的危害, 大家共同总结经验, 采取有效的措施来进一步提高桥梁结构的抗震能力, 进而提高耐久性。

参考文献

[1]JTJ 004-89, 公路工程抗震设计规范[S].

浅谈公路桥梁抗震设计篇8

关键词：公路桥梁,抗震性,设计思考

由于近年来世界范围内特大地震频频发生, 我国近期内也发生了多次地震, 截止到2013年6月底, 我国境内累计发生6.0级以上地震已达23次, 给我国带来很大的人员伤亡和经济损失, 各种建筑物的损毁倒塌现象严重, 尤其是四川汶川地震造成了大量桥梁倒塌, 这一情况给人们敲响了有关我国公路桥梁的抗震能力方面的警钟, 同时也使得现在我国公路桥梁的设计人员都格外关注采用桥梁梁板连梁装置提高桥梁抗震等级的设计思考。本文首先根据桥梁梁板连梁装置的设计的主要目的和我国现在新的公路桥梁的抗震设计思想, 考虑地震荷载的冲击的不确定特性, 提出桥梁梁板连梁装置的设计思考, 然后简要介绍桥梁梁板连梁装置的结构类型。这种设计方法和思想在结合了我国地震点分布差异较大的特点的同时也符合我国现在公路桥梁的设计规范, 希望能为提高桥梁抗震等级设计时提供一些参考作用。

1 提高公路桥梁抗震能力的设计目的

在我国公路桥梁的一般抗震设计中, 大家会根据不同地区地震烈度分布分别在伸缩缝处提供足够的支撑余地 (加大梁板搁置长度) 和设置抗震挡块限位装置, 来避免或防止发生桥梁落梁现象的发生, 但是由于地震荷载冲击方向的不确定性, 我们思考在设计时采用一种桥梁梁板连梁装置来避免落梁的发生。桥梁梁板连梁装置是在发生重大、特大地震时, 桥梁支座或限位装置发生变位, 使变位不至于超过梁的搁置长度, 进而防止落梁发生的安全防落梁装置。这种装置是基于保险心理的做法, 因为重大、特大地震发生的概率极低, 在一些小型地震上基本不起作用。公路桥梁的设计基准期与地震荷载超越率有着密切的联系, 当前, 国际上的桥梁设计基准期取值并不统一, 我国现在公路桥梁的设计规范基准期取为100年。虽然重大、特大地震发生的概率极低, 但是为了提高桥梁设计基准期内的抗震能力, 在地震多发地区可采用桥梁梁板连梁装置来避免落梁的发生。

2 桥梁的震害原因分析

桥台震害其主要表现为桥台与路基一起滑动并移向河心, 以致桥头、重力式桥台的胸墙 (背墙) 及桩柱式桥台的桩柱不同程度沉降、开裂、倾斜和折断等。另外, 桥头的沉降会导致翼墙损坏并开裂, 而重力式桥台胸墙开裂会引起整个台体被移动并下沉。桥墩震害在地震力作用下桥墩会不同程度的倾斜、沉降、滑移、开裂、剪断和钢筋裸露扭曲。支座震害根据以往工作经验, 发现某些桥梁的支座设计并未充分考虑抗震的需求, 如某些支座形式和材料上存在缺陷、没有选用减隔震支座或增加阻尼器等, 以致支座在地震力作用下会发生较大的变形和位移。地基与基础震害在地震力作用下地基中的砂土会被液化, 以致地基失效, 基础沉降或不均匀沉降, 从而导致地面较大变形, 地层发生水平滑移、下层、断裂等。地基与基础震害会使桥梁发生坍塌, 给震后修复工作带来困难。梁的震害主要是有桥台震害、桥墩震害、支座震害等引起的, 其主要表现为主梁坠落, 这也是最严重的震害现象。

3 提高公路桥梁抗震能力的设计思考

我国公路桥梁采用桥梁梁板连梁装置提高桥梁抗震等级时大多采用钢板连接或拉索式连梁装置, 本文就以拉索式桥梁梁板连梁装置为例, 来研究讨论其设计思想和方法。

3.1 拉索式桥梁梁板连梁装置设计

首先根据拉索容许抗拉力来确定公路桥梁拉索式设计的拉索数量, 我们假定某受力面上的拉索平均分担设计地震荷载冲击力, 然后就可以通过公式来确定:每根拉锁承受的设计荷载=桥梁梁板连梁装置设计地震冲击最大破坏力/拉锁数量≦拉索设计抗拉力。

3.2 桥梁梁板连梁装置设计的移动量

公路桥梁的桥梁梁板连梁装置的设计最大纵向位移量要在以最大的结构破坏力为限的基础上小于梁的搁置长度。可以允许的纵向位移量移动范围可以根据以下公式计算:橡胶支座的允许剪切变形量≦桥梁 (使用橡胶支座) 桥梁梁板连梁装置的设计纵向移动量, 横向位移主要由桥梁抗震挡块控制。

3.3 桥梁缓冲装置的设计

桥梁缓冲装置中使用的缓冲橡胶材料一般选氯丁橡胶或工程橡胶材料, 其硬度和允许压应力应满足缓冲地震冲击力的要求, 然后通过公式可以得出桥梁橡胶缓冲装置的压应力:橡胶缓冲应力=桥梁梁板连梁装置的设计地震最大破坏力/缓冲装置橡胶的受压面积, 桥梁垂直竖向缓冲可结合桥梁橡胶支座综合设计。

4 提高公路桥梁抗震能力采用的结构

对于公路桥梁工程的梁板连梁装置结构的设计和选用方面也要根据情况不同, 选择不同的桥梁梁板连梁装置。

4.1 桥梁梁板连梁装置的类型

目前公路桥梁梁板连梁装置的梁间连接类型有以下三种:钢板连接、拉索式连接、与下部结构连接。他们分别对应于桥水平纵向地震冲击力作用的梁板连梁装置与桥梁垂直竖向地震冲击力作用的梁板连梁装置。这种梁板连梁装置的桥轴垂直纵向上的抗震挡块具有与梁板连梁装置同样的防位移效果, 而梁板连梁装置的垂直竖向上的挡块则被用来防止梁体向垂直桥轴方向上移动而导致落梁发生。

4.2 桥梁梁板连梁装置的选定

对于公路桥梁梁板连梁装置的选取方面, 如果是桥轴向的梁板连梁装置的选取, 只要相邻梁在垂直桥轴的方向有可能产生移动, 就优先选择梁间拉索式的桥梁梁板连梁装置。一般梁板连梁装置在不能设置梁间连接或梁间相邻上部结构移动量有很大的差别的情况下, 则要选择梁与下部结构墩柱或桥台相连接的梁板连梁装置, 来避免受到因地震冲击产生的位移差的影响。如果梁与下部结构墩柱或桥台的连接的梁板连梁装置能够承受桥梁向上的地震冲击力, 就不需要采用其他方法来预防桥梁垂直方向上发生位移, 可以与其他类型的梁板连梁装置并用。

此外, 公路桥梁梁板连梁装置的设计还要考虑一些其他相关因素的影响, 如对桥台、桥墩和支撑结构的情况等方面因素。在纵坡上的坡道桥的下端支点和中支点、小角度斜交桥的端支点、平曲线上设超高的曲线桥弯道内侧支点、竖曲线上桥最低点的支点以及独柱墩桥支点上都宜选用垂直桥轴方向的挡块与上文所述的桥梁梁板连梁装置的综合运用, 以提高公路桥梁的抗震能力。

5 结语

浅谈公路桥梁抗震设计篇9

1 桥梁结构地震破坏的主要形式

1.1 落梁破坏。如桥梁的梁体位移超过了桥梁本身梁端所能支撑的, 会使得桥梁和墩台之间失去约束力, 而造成了落梁的破坏。1.2 支座损坏。桥梁支座本身就是抗震性能比较薄弱的一个环节。支座在结构设计时是有荷载强度的, 地震时传递的荷载超过了支座的本身的荷载极限时, 支座便会损伤并且破坏。主要表现为:支座产生位移、锚固螺栓拔出、剪断、脱落等, 甚至还会引起落梁破坏。1.3 剪切破坏。地震发生时的剪切力突破了桥梁自身剪切强度时会发生破坏, 剪切破坏主要有以下四个阶段:桥梁截面出现裂缝;桥梁柱内逐渐出现斜方向的剪切裂缝;箍筋开始弯曲, 裂缝越来越大;最后发生脆性的剪切破坏。1.4 弯曲破坏。在地震的荷载的作用下, 桥梁结构会产生变形, 由于过大的变形会导致桥梁混凝土层的脱落、内部混凝土崩裂以及钢筋屈服的现象的发生, 从而导致桥梁结构丧失承载能力。

2 桥梁抗震设防目标

《公路桥梁抗震设计细则》规定:采用两水平设防、两阶段设计。第一阶段的抗震设计, 应采用弹性抗震设计;第二阶段的抗震设计, 应采用延性抗震设计方法, 并引入能力保护设计原则。抗震设计中强度和变形双控。公路桥梁按桥梁重要性和修复 (抢修) 的难易程度分为A、B、C、D类四个抗震设防类别。A类桥梁的抗震设防目标为中震不坏、大震可修;B、C类桥梁的抗震设防目标为小震不坏、中震可修、大震不倒, 满足了E1 地震作用和E2 地震作用两阶段的性能目标要求后, 中震可修的目标可认为自动满足;D类桥梁的抗震设防目标为小震不坏。

3 抗震设计原则

3.1 注意桥梁结构上的对称。简单、规则的桥梁结构抗震能力一般较强。桥梁工程抗震设计过程中务必加强措施, 应桥梁的均匀对称原则, 避免采用不规则的桥型。保障在地震作用下, 使桥梁具有明确的计算模型和合理的地震作用传递途径。因此, 在桥梁的防震设计上, 应注意桥体结构的对称性, 尽量避免使用跨度较大的桥型。3.2 选择适当的场地。选择桥梁建设地址时, 必须要选择一个抗震力强的地方, 首先要充分考虑区域地质情况, 尽量选择持力层较好的区域, 避免地震时土质松软导致抗震失效。其次要结合区域地形地势, 选择便于施工, 并有利于发生地震灾害时疏散和转移的区域。3.3 保证结构构件的延性。结构延性定义, 即结构从屈服到破坏的后期变形能力, 是结构能量耗散能力的主要度量。良好的延性对桥梁结构的作用无疑是肯定的, 是实现桥梁结构抗震性能设计的一个重要手段。一方面它可以有效地降低地震作用对桥梁的影响, 另一方面可以吸收地震能量, 防止建筑结构的倒塌。3.4 注重桥梁的整体性。桥梁的整体性至关重要, 尽量保证上部结构是连续的, 并且采用有助于提高整体性的连接方式, 可以有效的防止地震来临时抗震的结构构件的掉落。此外, 为避免突发状况的产生, 在结构的布置上要尽可能的做到尺寸、质量和刚度均匀、对称。3.5 设置多道抗震防线。在桥梁抗震设计上要设置多道防线, 使桥梁可以多方面的抵抗地震侧向力。这样为桥梁的安全性、稳固性提供了强有力的保障, 可以在最大程度上避免桥梁倒塌的现象。3.6 能力设计原则。为确保延性抗震设计桥梁有可能出现塑形铰的桥墩的非塑性铰区、基础和上部结构构件不发生塑性变形和剪切破坏, 应对上述部位、构件进行加强设计, 这样可以保证非塑性铰区的弹性能力高于塑性铰区。能力设计思想强调强度安全度差异, 即在不同构件和不同破坏模式之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异, 可确保结构在大地震下以延性形式反应, 不发生脆性的破坏模式。能力保护设计主要针对的是桩基础。盖梁的横截面尺寸和承载能力较大, 一般不需要进行特殊设计。

4 提高抗震性能方法

地震的发生具有不确定性和复杂性, 因而抗震不能完全依赖计算。抗震设计的理念应该贯穿在整个桥梁结构的设计过程中。当前, 比较容易实现和有效的抗震方法主要有以下几种。

4.1 隔震支座法。采用隔震支座是简便、经济、先进的工程抗震手段。减、隔震支座比桥梁结构率先进入塑性阶段, 利用自身消耗大量的能量, 从而减小桥梁结构自身的耗能与塑性耗能, 减轻结构的损伤破坏。4.2 桥墩延性法。桥墩的延性是实现桥梁结构抗震性能设计的一个重要方法。桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性, 以便在地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。4.3 采用隔震支座和阻尼器相结合的系统。隔震支座法可以很大程度上提高桥梁的抗震性能, 增加对地震力的阻尼也是提高桥梁性能的手段, 将上述二者结合起来, 抗震性能可加倍。4.4 采用减震的新型桥梁。新型的桥梁结构较多采用型钢混凝土结构, 因为型钢混凝土结构的承载能力高于钢筋混凝土结构的承载能力, 并且前者抗剪能力、延性都明显的高于后者, 这样抗震能力可以得到提到。

5 桥梁抗震设计建议

5.1 立体交叉的跨线桥梁, 其抗震设计不应低于下线桥梁的要求。跨线桥梁一旦遭受地震破坏, 会同时影响到上下线公路交通, 所以应采用上下线桥梁中较高的抗震设防标准进行抗震设计。5.2 尽可能采用超静定结构, 少采用静定结构。如在软弱黏性土层、液化土层和严重不均匀土层上, 不宜修建大跨径超静定桥梁。5.3 桥梁的基础应尽可能的放置在比较可靠的地基上, 并选择合适的基础埋置深度, 以加强基础的整体性和刚度。5.4 桥梁结构的对称位置应该具有大致相同的刚度。对于上部结构连续的桥梁, 各桥墩高度宜尽量相近5.5 不宜在桥梁的矮墩设置固定支座, 矮墩宜设置活动支座或板式橡胶支座。5.6 在高烈度区, 宜尽可能避免采用对抗震不利的桥型, 主要包括曲率半径较小的曲线桥、斜交角过小的斜桥。5.7 为防止落梁, 应布设横向限位装置。另外, 简支梁梁端至墩台帽或盖梁边缘应有一定的距离。5.8 应采用对称型小跨径的桥梁, 并减轻结构的自重和降低其重心, 使桥墩承受的轴压水平较低, 可获得较好的延性。5.9 应使桥梁结构的质量中心与刚度中心保持重合, 以减小地震带来的附加地震力。5.10 装配式箱梁、连续梁的简支端应设置弹性橡胶块;除四铰框架结构外的空心板/ 实心板的板端设置弹性橡胶块。5.11 石砌墩台的墩台身与墩台帽、墩台帽与基础之间应设置抗剪措施, 可采用在下截面中设置短钢筋并延伸至上截面中;同时当墩台身采用砌石时, 基础顶面应外露片石, 以加强墩台身与基础的整体连接。5.12 桩柱式桥墩除按《公路桥梁抗震设计细则》8.1.1 条要求对桥墩塑性铰区域进行加密外, 还应在墩柱顶部和下部、桩基的顶部设置箍筋加密段。桩基的箍筋直径可与桥墩相同, 布置在桩顶并延伸至最大弯矩以下3 倍桩径处 (不小于50cm) 。

结束语

综上所述, 桥梁结构抗震设计是桥梁设计中的重要环节, 是衡量桥梁工程结构设计是否符合要求的重要指标之一。在桥梁设计中按照一定的抗震设计原则制定相应的抗震设防措施并控制好施工质量, 致力于设计出抗震性强、实用性高、经济性好的桥梁, 就一定能将地震损失降到最小, 并确保交通运输线路的畅通无限。

参考文献

[1]JTG/T B02-012008.公路桥梁抗震设计细则.

[2]JTJ D63-2007.公路桥涵地基与基础设计规范.

[3]JTG B01-2014.公路工程技术标准.

浅谈当下桥梁的抗震设计篇10

关键词：桥梁,抗震设计,设计方法

我国是一个地震发生频率较高的国家, 地震灾害的发生将会对地面建筑物产生严重破坏, 甚至造成大量的人员死亡, 还会将交通阻断。公路桥梁、铁路桥梁壹级城市高架桥一旦遭到破坏, 后续补救工作将会非常艰难。为了对人民的生命财产安全及桥梁设施的完好进行保证, 同时将公路运输在抗震救灾中的作用更好的发挥出来, 应该在桥梁设计中对抗震设计加以重视。

1 桥梁震害现象分析

通过对我国震例的调查和研究, 对桥梁结构抗震性能的分析, 可以对我国桥梁震害现象进行以下分析:首先, 地基与基础破坏。地基破坏发生的原因主要有:不均匀沉降、稳定性不足等, 这些因素都可能会造成地层水平滑移、断裂、下沉, 最终结构物遭到破坏。基础破坏和地基破坏之间存在非常密切的关系, 一旦地震对结构周围地基产生影响, 结构的强度就会变低, 很容易出现基础沉降或者滑移现象, 甚至可能出现剪断、倾斜破坏等一系列现象, 最终出现墩台倾斜、折断或者倒塌。其次, 桥台沉陷。地震发生时, 如果桥台后填土与桥台并没有完全固结在一起, 填土纵向土压力会增大, 同时被动土压力会非常大, 进而出现桥台向桥跨方向移动的趋势。加上受到桥面支撑作用的影响, 桥台会产生竖向旋转, 从而导致基础破坏。第三, 墩柱破坏。主要涉及到弯曲延性不足、剪切强度不足、弯曲强度不足等, 通常会引起连锁反应。第四, 支座破坏。在地震力的影响下, 可能会拔出、剪断支座锚固螺栓等, 最终导致结构力传递形式发生变化。第五, 落梁破坏。当支撑连接构件失效后, 结构位移就会加大, 梁体之间会出现相互冲击, 甚至落梁等现象的发生。

2 桥梁抗震设计方法的发展

2.1 基于强度的抗震设计

传统抗震设计主要采用基于强度的抗震设计, 这种设计方法主要是指将地震力作为静荷载展开结构分析, 然后将结构失效准则定义为结构构件强度、刚度是否达到极限状态。此种方法的主要缺陷是, 在强震作用下, 要求构件保持弹性状态, 从而导致造价高昂。

2.2 基于延性的抗震设计

由于传统的基于强度的抗震设计理念的缺陷, 很多学者提出了强震作用下将构件进入塑性工作范围的理念进行考虑, 利用结构的延性进行抗震。这种设计方法主要利用地震力修正系数对反应谱加速度的地震内力进行调整, 将不同结构的延性需求反映出来。该方法的主要缺点是, 整个结构的抗震设防水准是一样的, 不能对重要性不同的构件区别对待, 也造成一定的浪费。

2.3 基于性能的抗震设计

为克服基于延性的抗震设计方法的不足, 抗震工程界提出了基于性能的抗震设计理念, 其主要思想是:根据结构的重要性、用途及结构破坏后引起的后果的严重性确定其性能目标, 在此基础上提出不同的抗震设防水准, 使用的过程中结构具备预期的功能, 使不同性能目标要求得到满足。该思想是一种基于投资和结构使用效益的综合平衡设防思想, 在工程界中得到了广泛赞同, 但是因为受到地震作用效应复杂性的影响, 加上影响结构性能因素的众多, 因此该抗震设计方法目前主要停留在概念设计阶段。

2.4 基于位移的抗震设计

基于位移的抗震设计理念是:结构在地震作用下产生变形, 从而在宏观上表现为位移。目标位移的设置应按照不同的地震设防水准来设定, 通过设计在给定水准作用下结构可以达到预先指定的目标位移, 最终实现对其地震行为的有效控制。目前, 基于性能的抗震设计主要往往是利用基于位移的设计来实现的。

3 桥梁抗震设计措施

3.1 总体设计中应注意的问题

这种抗震设计思想从概念设计入手, 从宏观上研究结构抗震性能的合理性, 从而降低结构在地震作用下的震害。在桥梁设计中, 一般要注意以下问题。

3.1.1 桥位选择

桥位应选在地质稳定、土体坚硬的场地, 避开土体松软的场地。如桥位受限, 难以避开土体松软的场地, 则尽量使桥梁与河道正交。在松软地基上的一些特大桥、大中桥, 在发生地震时很容易出现河岸滑移使桥台向河心移动的现象, 导致全桥长度的缩短, 如桥梁与河道斜交就会使得梁体在地震中产生扭曲破坏。

3.1.2 桥型选择

不同的结构形式对地震的响应是不一样的, 根据地震灾害统计数据表明, 纵向落梁占桥梁震害的绝大多数, 约暂97%。因此在桥型选择上宜选择结构简单, 整体性好, 有可靠纵向、横向连接的桥型。如连续结构优于简支结构, 正交桥梁优于斜桥、曲线梁桥。

3.1.3 桥孔布置

在桥孔布置时, 应兼顾防震能力与通过能力, 以防震能力为主。一般来说, 在地震多发地带宜采用等跨桥孔布置方式, 两侧桥孔对称, 同时采用低矮的桥墩。桥梁整体设计在满足使用要求的前提下, 尽量减少梁体重量, 减少没必要的附属结构, 以简洁为主。

3.2 桥梁抗震构造的措施