探讨桥梁工程抗震设计问题
2015-05-27
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，公路铁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。
