市政桥梁抗震设计初探
2016-09-12
前言
我国是世界上的地震多发地带。2008年5月12日14时28分04秒，四川汶川发生了中华人民共和国自建国以来影响最大的一次地震，其所造成的损失巨大，位于震中的县城附近的道路基础设施受到严重破坏，市政桥梁破坏尤为严重，其市政桥梁结构主要为简支梁桥（含先简支后桥面连续）、连续梁桥和拱桥。本文作者综合现场情况，主要对简支梁桥和连续梁桥震害类型及抗震设计做简要分析。
1. 落梁破坏
1.1市政桥梁结构特点
市政桥梁采用板式橡胶支座，梁体直接搁置在支座上。在汶川地震中，百花大桥第5联即5m～20m连续梁整体倾覆、落梁，完全破坏。
1.2震害原因
（1）支承连接部件失效，固定支座强度不足，活动支座位移量不够，橡胶支座梁底与支座底发生滑动，在地震力作用下支座破坏，致使梁体发生位移导致落梁。
（2）墩台支承宽度不能满足防震要求，防落梁措施设计不合理，在地震力作用下，梁、墩台间出现较大相对位移，导致落梁。
（3）伸缩缝和挡块强度不足，在地震力作用下，伸缩缝遭到碰撞破坏和挤压破坏，挡块剪切也遭到破坏，使其起不到应有的作用，导致落梁。
1.3抗震设计有效措施
（1）采用板式橡胶支座的市政桥梁，如果盖梁挡块在地震中遭破坏，其可以有效减少下部结构所受地震力，但对于这种类型的市政桥梁，抗震设计的关键是怎样采用合理的梁体限位装置，设置足够的梁墩合理搭接长度，使梁体位移控制在不发生落梁的范围内，同时又不增加墩柱地震力。
（2）在高烈度地震区，尽可能地采用整体性和规则性较好的市政桥梁结构体系，结构的几何尺寸、质量和刚度力求均匀、对称、规则，避免突变的出现；从几何线性上看，尽量选用直线市政桥梁。
（3）选择合理的连接形式对市政桥梁抗震性能十分重要。对于高墩市政桥梁，建议采用上部结构与下部结构有选择性的刚性连接（固结方式）；对于矮墩市政桥梁，上部结构和下部结构连接建议采用支座连接方式，并合理设置梁墩的搭接长度。
2. 墩柱的破坏
2.1破坏形式
此类破坏多发生在墩柱塑性铰处、墩柱与盖梁连接处及墩柱与系梁连接处，在地震力作用下桥墩纵向受力筋被剪断，直接导致市政桥梁倾覆。
2.2震害原因
（1）墩柱延性不足（抗弯破坏），横向约束箍筋配置不足；构造缺陷：横向约束箍筋间距过大，搭接失效纵筋过早切断，锚固长度不足，箍筋端部没有弯钩等。
（2）抗剪强度不足（剪切破坏），即横向箍筋配置不足。
2.3延性抗震设计
（1）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。
（2）延性抗震设计的分类：上部、基础弹性，墩柱延性设计；墩柱、基础弹性，上部结构延性（钢桥）；墩柱、基础、下部结构弹性，支座弹缩性―减隔震设计。
（3）墩柱结构构造措施。墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋的配置：其一，加密区的长度为弯曲方向截面宽度的1倍，超过最大弯矩80％的范围；其二，加密箍筋的最大间距为10cm；其三，箍筋的直径不应小于10mm；其四，螺旋式箍筋的接头必须采用对接，矩形箍筋应有135°的弯钩，并深入核心混凝土之内6cm以上；其五，加密区箍筋肢距为25cm；其六，墩柱的纵筋应尽可能延伸至盖梁或承台的另一侧面，塑性铰加密区域的箍筋应该延续到盖梁和承台内，延伸到盖梁和承台的距离不应小于墩柱长边尺寸的1/2，并且不小于50cm。
3. 基础和桩身破坏
3.1破坏形式及震害原因
桥位通过地震断裂破碎带，地震力作用下基础出现移位、沉降；桥位位于液化砂土地质中，基础出现不均匀沉降。
3.2抗震设计有效措施
基础应尽可能建在岩石或坚硬冲积土上，软土和砂土易于放大结构的位移影响，且软土有震陷、饱和砂土有液化等地质地震灾害。
4. 减隔震设计
（1）地震力的作用是巨大的，我们在市政桥梁抗震设计中一般会采用两种途径去减轻市政桥梁震害：传统抗震设计和减隔震设计。传统抗震设计是增大构件断面及配筋，致使结构刚度增大，达到减轻震害的目的；而减隔震设计是采用柔性支承延长结构周期，减小结构地震反应；采用阻尼器装置耗散能量，限制结构位移，保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度。
（2）减隔震技术随着科技的发展以及新材料的应用，越来越多地被应用在市政桥梁抗震设计中，但它只适用于以下条件：上部结构连续，下部结构刚度较大，结构基本振动周期比较短；市政桥梁下部结构高度变化不规则，刚度分配不均匀；场地条件比较好，预期地面运动特性具有较高的卓越频率。在此注意，支座中出现负反力的情况下则不宜采用减隔震设计。
（3）减隔震装置经常采用如下几种：整体型减隔震装置包括铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、摩擦摆隔震支座；分离型减隔震装置包括橡胶支座＋金属阻尼器、橡胶支座＋黏性材料阻尼器、橡胶支座＋摩擦阻尼器。
5. 市政桥梁抗震设计注意事项
（1）尽量将桥轴线设计成直线，曲线桥使结构地震反应复杂化；尽可能使桥台和桥墩与轴线垂直，斜交会引起转动响应而增大位移。
（2）沿纵、横桥向的桥墩刚度尽可能一致，如刚度变化太大，地震时刚性大的桥墩易产生破坏。
（3）塑性铰不应设计在盖梁、主梁、水中或地下的桩顶处，设计在墩柱上易于观察与修复。
（4）材料和结构形式的选择应遵循如下的原则：质轻高强，变形能力大，强度和刚度衰减小，结构整体性好。单从材料的抗震性能优劣来划分依次为：钢结构，钢砼组合结构，木结构，现浇钢筋砼，预制钢筋砼，预应力砼，砌体。
（5）设置多道抗震防线，尽可能用超静定结构，少采用静定结构。
（6）防止脆性与失稳破坏，增加结构延性。常见的脆性破坏包括砖、石、素砼的开裂和钢筋砼的剪切破坏；常见的失稳破坏包括斜撑和柱的失稳以及柱中纵向钢筋在箍筋不足时的压屈。
6. 市政桥梁抗震设计的建议
第一，由于地震的不确定性，导致市政桥梁结构抗震计算的失真。地震运动是由震源―传播介质体―场地地质体等一系列的变化因素综合形成，它是极为复杂的和不确定的模糊事件。市政桥梁结构的抗震计算严格来说是近似仿真计算，与实际的震害有一定的差距。抗震计算与抗震概念设计、结构体系的选择、抗震构造设计相比较，后三者更显重要。
第二，应尽量采用连续的桥跨代替简支梁，进而减少伸缩缝的数量，降低在此落梁的可能性，同时也提高了桥上行车的舒适性。
第三，对常规的简支市政桥梁结构应加强桥面的连续构造以及提供足够的宽度，以防止主梁发生位移落梁；另外还应适当地加宽墩台顶盖梁及支座的宽度，并增设防止位移的隔挡装置。
第四，市政桥梁位置应选在良好和稳定的河段，如果必须在稳定性差的软弱场地的河段通过，应尽量采用市政桥梁中线与河流正交，注意在河槽与河滩分界的地形突变处尽量避免设墩，否则应予以加强措施，以减免滑移。
第五，对采用橡胶支座而无固定支座的桥跨，应加设防移角钢或设挡轨，作为支座的抗震设计。
第六，市政桥梁结构以采用跨度相等、下部墩身刚度大致相等为宜。
第七，否则软土的液化会加大地震反应。
第八，桥跨宜短而不宜太长，大跨度意味着墩柱承受的轴向力过大，从而降低墩柱的延性能力。
第九，墩柱设计中应尽可能地使用螺旋形箍筋，以便为墩柱提供足够的约束。另外墩身及基础的纵向钢筋伸入盖梁和承台应有一定的锚固长，以增强连接点的延性。
第十，对于较高的排架桥墩，墩间应增设横系梁，以减少墩柱的横向位移和设计弯矩。
第十一，重视市政桥梁的减隔震设计，采用新技术、新材料，实现市政桥梁的抗震设计，比如减隔震支座，即双曲面（球面）支座、铅芯橡胶支座、阻尼器等。
7. 结语
市政桥梁结构有效的抗震措施还有许多，因此我们在市政桥梁设计过程中须认真分析和了解结构的地震反应和特性，精心设计并采取一系列有效的抗震措施。市政桥梁抗震设计是一项系统工程，体现在设计的各个阶段，需要认真对待。
