公路桥梁设计中的抗震措施

公路桥梁设计中的抗震措施1、桥梁与抗震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。桥梁震害中获得的经验和知识是推动桥梁抗震设计的原动力，1971年美国SanFernand地震(6.6级)、1989年美国北加州的LonmPfieta地震(7.1级)、1995年日本阪神大地震(7.2级)、2008年汶川大地震(8.0级)等影响巨大的地震引起了工程界的重视和广泛探讨。随着建筑物与地震反应关系的研究深入，桥梁抗震设计理论得到了提高与拓展，2008年我国公路桥梁设计规范由《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)替代原来的《公路工程抗震设计规范)(JTJ004-89)，是我国桥梁设计的一大进步，根据历次大地震的调查研究，公路桥梁的地震破坏主要形式总结归纳如下：(1)桥梁上部结构受水平力作用滑落(汶川百花大桥落梁)；(2)桥墩塑性铰的抗弯、抗剪强度不足，导致桥墩破坏(日本阪神大量墩柱破坏)；(3)桥墩、桩基础钢筋的连接及锚固性能不足，导致桥墩破坏(最为常见)；(4)桥梁支座等连接部位破坏(最为常见)。常规桥梁抗震设计首先应是抗震构造措施，根据汶川地震相关调查表明干线公路桥梁由于采用了合理的抗震构造措施，结构安全富裕较多，震后其破坏远小于地方道路桥梁。抗震构造措施是总结桥梁震害经验的基础上提出的设计原则，事实表明抗震构造措施可以起到有效减轻震害作用，而所耗费的工程代价往往较低。2、桥梁设计与抗震措施2.1防止落梁的措施《公路桥梁抗震设计细则》指出上部结构主梁的支承长度a≥70+0.5L(L为梁的计算跨径，L单位为m，a单位为cm)，该取值沿用自日本抗震设计规范，多数设计者认为规范取值较为保守，比上一代规范《公路工程抗震设计规范(JTJ004-89))有较大提高(a≥50+L)。这里需指出该种认识属于误区，当“长桥高墩”时应在规范基础上给予更多的安全富余。例如：都汶高速公路庙子坪岷江大桥第10跨(跨径50m、墩高70m)。虽然盖梁宽度高达3.0m(根据《桥梁抗震细则》要求，含伸缩缝宽度取2.1m即可)，但该桥还是发生纵向落梁，所以在设计中应注意“长桥高墩”,特别是设置有伸缩缝的相邻联桥墩，不仅要将主粱支承长度取值放大一些，还需要设置主粱限位装置。根据国外规范以及《抗震设计细则》精神，同时应设置纵向防落梁构造，同时应注意限位装置不得有碍于防落梁构造的发挥。根据汶川地震后的调查表明横桥向抗震挡块的破坏非常普遍，2010年玉树震区桥梁调查也存在同样问题，说明当前挡块设计存在薄弱的问题，主要表现为构造尺寸偏小，主筋配筋偏少，挡块内侧缺少减震橡胶块，特别是在斜弯桥设计中应比直线桥具备更多的考虑。挡块内侧不仪应设置橡胶块，还应考虑留有不小于5cm的缝隙，多数桥梁设计将桥墩挡块设置为与盖粱边缘齐平的方法是欠考虑的，往往造成施工误差调整困难以及上述5cm缝隙难以保证，故建议桥墩盖梁端部悬出挡块外1Oom为宜。2.2支座形式和布置方式支座选型长期以来被忽视，常规粱桥多采用普通橡胶支座，汶川地震后的调查表明普通橡胶支座破坏后加剧了桥梁损伤，建议根据桥梁设防要求，选用适用的支座类型。基本地震动峰加速度峰值0.1g地区和以上地区应选择减震型橡胶支座。作为支座的布置是否合理至关重要，汶川百花大桥第5联(5×20m)采用一个固定支座，其余墩为活动支座，导致全联上部结构水平地震力几乎完全由固定支座下的桥墩承担，该桥墩迅速破坏后，造成全联坍塌。对于连续梁桥在设置固定支座后，应充分考虑固定支座设置对抗震的不利影响，慎用墩梁固结方案，应注重考虑各墩水平受力的平均分担。2.3柱式桥墩的合理设计柱式墩是桥梁设计中最为常见的结构形式，日本阪神地震中显示出大量圆形独柱墩崩溃性破坏，汶川地震相关资料表明矩形墩要优于圆形墩，抗震设计中应首先尽量避免选用抗震性能差的圆形独柱结构，同时优先选择矩形截面形式。其次应重视桥墩中间的横梁设置，横梁刚度不宜过大，避免导致“强梁弱柱效应”的出现，造成结构的第一塑性铰出现在墩柱之上，而不是横梁上，致使结构失效。结构刚度的均衡是总的设计原则，一般指纵桥向相邻高度不宜相差过大，同时注意当地面横坡较陡时，横桥向也会出现墩柱高度差异，条件容许时可以考虑进行开挖，以保证横桥向墩柱刚度的均衡。另一个设计原则是能力保护原则，要使结构体系中延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性破坏，在延性细部构造设计中应保证墩柱纵筋和箍筋形成整体骨架，当混凝土纵向受压、横向膨胀时，箍筋给于纵筋的约束作用最为重要，而纵筋对约束混凝土墩柱的延性作用巨大，所以各国规范均提高了对纵筋的配筋率要求,下图中可以明确显示各国规范的对比情况四。该图的对比结果表明，很多设计师所认为的规范安全富余度足够的观点是错误的，事实上由于考虑自身经济、技术、工业条件的制约，我国规范与欧美规范在安全富余方面存在一定的差距，这就要求桥梁设计中应根据具体情况进行相应的提高。桥墩是支撑梁体的主要构件，同时由于桥梁结构“上刚下柔”的特点使得桥墩极易出现破坏，其破坏主要包括墩身剪断、压溃和开裂，应根据抗剪计算来配置箍筋，选择合理的箍筋间距，注意箍筋的搭接构造细节。设防裂度7度及以上应通过计算确定墩柱尺寸，保证塑性铰区位于墩柱范围内，塑性铰区钢筋应根据《公路桥梁抗震细则》进行加密，加密箍筋可采用12mm～16mm带肋钢筋，但锚固于盖梁、承台部分的加密钢筋采用螺旋箍筋欠妥，施工单位反映由于盖梁中钢筋原有钢筋很多，螺旋筋布置十分困难，建议采用环形箍筋为宜。3、关于地震与桥梁的加固地震与桥梁加固涉及两个方面，一是震后的桥梁加固，二是对抗震能力不足的老桥进行加固。玉树地震后，为保证玉树灾区重建中的交通运输畅通，交通部要求对国道214线、省道S308线等公路进行详细调查,相关调查表明彻底震毁桥梁所占比例极少，但需要加固的桥梁很多，其中部分桥梁加固十分斟难，只能采取临时加固保通方案(后期拆除重建)，这一结果基本与汶川公路调查结果相吻合。尚未发生震害地区早年修建的老桥，抗震能力不足问题十分普遍，这与人类不断进步的工程技术研究有关，但关于现有老桥抗震能力不足并未得到高度重视，这与桥梁加固技术难度大、加固费用高有直接关一系，而且加固后短期内并看不到直接经济效益。事实上在过度的景观要求下，近年来修建的城市人行天桥抗震缺陷问题最为严重，其中抗震构上造措施缺陷是难以弥补的，常见问题是桥墩盖梁不仅缺少横向限位挡块，其盖梁宽度仅为45cm，地震作用下只需要少量位移的情况下，很容易造成落梁事故，遗憾的是这样的设计在不同地区、不同城市还在不断的复制。4、结束语常规性梁桥设计构造上应首先满足地震时上部结构的横向位移的要求，采用合理的支承长度以及防落梁构造措施，并设置限位装置；其次应注意支座的类型与合理布置；其三是注意桥墩的延性构造细节。随着《公路桥梁抗震细则》的颁布和推广，桥梁抗震设计必然进入一个新的层面。最后希望相关部门对现有抗震能力不足的老桥问题予以重视，建议首先对设防裂度7级及以上地区的老桥进行必要的检查，对关系重大的桥梁进行必要的加固处理。《公路桥梁加固规范》指出应根据公路等级、桥梁重要性和抢修难度程度将公路桥梁划分为A～D类，规范建议有次序的进行加固。