浅谈桥梁抗震设计
2015-06-05
1.工程概述
沪昆高速公路贵州境贵阳至清镇段，路线起自贵阳市乌当区金华镇，接在建贵阳绕城高速公路西南段，经何关、蒿芝塘、回龙寺、朱关，终于清镇市庙儿山，接已建清镇至镇宁高速公路，全长13.236059km（路线长度按右幅计），其中：起点至朱关段按双向六车道高速公路标准设计，设计速度120km/h，路基宽度34.5m；朱关至终点段按双向四车道高速公路标准设计，设计速度120km/h，路基宽度28m。其中主线桥4座；互通式立交3处，有桥梁10座；分离式立交11座；人行天桥11座。本项目的桥梁均属于单跨跨径不超过150m的高速公路上的桥梁，抗震设防类别应为B类。项目所在地地震动峰值加速度为0.05g，相应的抗震设防烈度为6度。按《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）规定，桥梁抗震设防措施等级为7级。
根据国家地震局颁布的《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2001），场区地震动反应谱特征周期为0.35s，地震动峰值加速度值为0.05 g，场区地震基本烈度为Ⅵ度。在充分考虑地形、地质条件、结构特点、规模、重要性以及震害经验等，我们选线时尽量避开发震断层，把桥位定在平坦、宽阔的沟谷上。从《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）；的一般规定中可以得知，简支梁的上部构造可不进行抗震强度和稳定性验算。
所以为了工程的安全，特大桥、大桥上部结构采用一般装配式预应力混凝土简T梁或箱梁，多孔或单孔为一联，桥墩伸缩缝处伸缩装置采用MZL-160/80/40型；桥台处设C-80/40型伸缩缝，其余桥墩上设桥面连续；支座采用球冠圆板橡胶支座；下部结构一般为柱式墩，桩基础，也有采用扩大基础的。其余桥梁上部结构均采用13~20 m装配式预应力混凝土简支空心板；下部结构为桩柱式。
2.桥梁抗震设计
2.1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。由于地震动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”很难有效地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。
在进行抗震概念设计时，特别要重视上、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。
为了保证所选定的结构体系在桥址的场地条件下确实是良好的抗震体系，须进行简单的分析(动力特性分析和地震反应估算)，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抗震结构体系的优劣，决定是否要修改设计方案。
2.2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。
直接基于位移的抗震设计根据一定水准地震作用F预期的位移计算地震作用，进行结构设计，以使构件达到预期的变形，结构达到预期的位移。
该方法采用结构位移作为结构性能指标，设计时假定位移是结构杭震性能的控制因素，通过设计位移谱得出在此位移时的结构有效周期，求出此时结构的基底剪力，进行结构分析，并且进行具体配筋设计。设计后用应力验算，不足的时候用增大刚度而不是强度的方法来改进，以位移目标为基准来配置结构构件。该法考虑了位移在抗震性能中的重要地位，可以在设计初始就明确设计的结构性能水平，并且使设计的结构性能正好达到目标性能水平。
2.3多道抗震设计
所谓多道抗震设防，是指在一个抗震结构体系中，一部分延性好的构件在地震作用下，首先达到屈服，充分发挥其吸收和耗散地震能量的作用，即负担起第一道抗震防线的作用，其他构件则在第一道抗震设防屈服后才依次屈服，从而形成第二道、第三道或更多道抗震防线，这样的结构体系对保证结构的抗震安全性是非常有效的。
2.4结构杭震构造设计
抗震构造设计包括抗震构造及构造规定，如梁端限位措施及支承面最小宽度等。抗震构造物的内力在地震力分析中也许很难精确的分析，但却能起到很好的效果，防止落梁等极端震害的发生。
3.桥梁的抗震措施
3.1桥梁选址
桥址应选择地质好、承载力高、地势平坦的地方。但实际情况中有时难以实现。一是高速公路的桥梁桥位取决于路线的走向和位置，根据节约用地的原则，路线尽量少占良田，故桥位多在山坡、河谷走廊、河道、峡谷等处。二是路线穿越山区、丘陵地带或软土地区时，地形复杂、或地质不良。
3.2基础处理
对于不良地质，可以根据不同的具体地质情况采用不同的方法进行处理。对于岩层较浅的地方，采用较大扩基或固定在基岩上。或者在扩基处砌筑厚度为1.5-2m的围裙。对于地基软硬不均，或砂层较厚地下水位较高地区要特别注意沙土液化，喷沙冒水现象的发生，可适当增加桥长，合理布孔，使桥墩、桥台避开地震时可能发生滑动的岸坡或地形突变的不稳定地段。或采用深桩、排桩穿过液化层，并采用系梁、承台等加强联结，或减轻结构自重，在非冲测线下一米处，设置围裙或条形基础，加大基础基底面积、减少基底偏心，并适当增加理置深度。亦可在台前或墩两侧设斜撑。并在考虑采用时，将水平地震力和竖向地震力加以组合验算。换土或采用砂桩也是一种常用的方法。
3.3桥墩处理
对于震区的桥墩，最好采用等截面，不宜做锥形截面墩，因为变截面的桥墩的纵波应力较大，而等截面桥墩的纵波应力相对较小，这样可以减少波应力。
在桥墩较粗能够承受较大拉力时(一般用于大桥)，为了防止桥面在地震时上抛，落下砸坏桥墩(桥台)，一般用高强螺栓或预理钢筋将桥梁及桥墩(台)联结起来。
对于中小桥，一般采用简支板(或预应力板)。它允许桥面与桥墩能够自由分开。地震时，为了防止桥面自由上抛时桥墩承受过大的拉力，同时，为了防止桥面落下时冲坏桥墩，在支座处安放弹簧或橡胶支座等缓冲的东西。
3.4简支梁梁端至墩、台帽或盖梁的边缘的距离应不小于梁跨径的百分之一与50cm的和。吊梁与悬臂梁之间的搭接长度不小于60cm。桥台胸墙应当加强，并在梁与梁之间和梁与桥台胸墙之间加装橡胶垫或其它弹性衬垫，以缓和冲击作用和限制梁的纵向位移。有的也可以采用防震锚栓。并且在桥墩两侧设置挡块，防止桥梁横向位移过大及落梁现象。
对于陡峻的高山、河岸，地震时常发生滑坡现象。为了保护桥梁，要及早排除这些隐患，采用护坡、排水等措施加以防护。
4.结语
基于性能的抗震设计还处于起步阶段,还有很多工作要做,工程人员应该具有长远的眼光,看到基于性能的抗震设计方法对未来防震减灾工作的贡献,努力克服推广基于性能抗震设计方法时面临的困难,同时对经济性和社会效应性同样是有益的。
