桥梁抗震的构造措施

罗志坚 李木荣

摘要:本文分析了桥梁的震害原因,阐述了桥梁抗震设计及措施。

关键词:抗震设计;地基;液化;墩台

1 桥梁的震害原因

国内外学者对桥梁震害的调查研究结果表明,现在桥梁的破坏大多沿顺桥向和横桥向发生,而顺桥向震害尤其严重,分析其破坏原因主要表现在以下几个方面:

(1)地震位移造成的粱式桥梁上部活动节点处因盖梁宽度设置不足导致落梁或粱体相互磁撞引起的破坏,而对拱式结构则主要表现在拱上建筑和腹拱的破坏,拱圈在拱顶、拱脚产生的破损裂缝,甚至整个隆起变形。

(2)由于地基土(如饱和粉细纱和饱和粘沙土)的地震液化影响同样加大了地震位移的影响,进而放大了结构的振动反应,使落梁的可能性增大。当采用排架桩基础时,则使桩基的承载力降低,从而造成与地震反应无关的过大的竖向和横向位移,而简支粱桥对此尤为明显。另外,由于地基软弱,地震时当部分地基液化失效后引起了结构物的整体倾斜,下沉等严重变形,进而导致结构物的破坏,震害较重。

(3)支座破坏,在地震力的作用下,由于支座设计没有充分考虑抗震要求。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,并由此导致结构力的传递形式的变化,进而对结构的其他部位产生不利的影响。

(4)软弱的下部结构破坏。即由于桥梁下部结构不足以抵抗其自身的惯性力和支座传递的主梁的地震力,导致结构下部的开裂、变形和失效,甚至倾覆,并由此引起全桥的严重破坏。

(5)在松软地基上的桥梁,特别是特大桥、大中桥,地震时往往发生河岸滑移使桥台向河心移动,导致全桥长度的缩短,这类震害是比较严重的。

(6)另外桥粱结构的震害还表现在如结构构造及连接不当造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成桥台沉降或斜度过大造成桥墩台承受过大的扭矩而引起的破坏等多种原因。

2 桥梁抗震设计及措施

根据桥梁震害的分析知道,地震对桥梁的破坏作用,不仅与桥梁的结构本身有关,还与所处的场地、地基及地形地貌等有关。抗震设计中除了进行抗震设计计算外,桥位选择、桥型选择、结构体系布置、结构构造设计同样重要。

2.1 总体设计中应注意的问题

2.1.1 桥位选择

选择桥址时,应避开地震时可能发生地基失效的松软场地,选择坚硬场地。基岩、坚实的碎石类地基、硬粘土地基是理想的桥址场地;饱和松散粉细砂、人工填土和极软的粘土地基或不稳定的坡地都是危险地区。拱桥应尽量避免跨越断层,特殊困难情况下应进行地震安全性评价。

2.1.2 桥型选择

桥梁应结合地形、地质条件、工程规模及震害经验,选择合理的桥型及墩台、基础型式。宜尽可能采用技术先进、经济合理、便于修复加固的结构体系。可以考虑采用减震的新结构,比如型钢混凝土结构等。

2.1.3 桥孔布置

桥孔宜选用有利于抗震的等跨布置,并尽量避免高墩与大跨的结合。宜体形简单、自重轻、刚度和质量分布均匀、重心低、便于施工。位于地震后可能形成泥石流沟谷上的桥梁,孔跨和桥下净高宜根据流域内的地形、地质情况酌情加大。

2.2 桥梁抗震构造措施

2.2.1 基础抗震措施

应加强基础的整体性和刚度,同时采取减轻上部荷载等相应措施,以防止地震引起动态和永久的不均匀变形。在可能发生地震液化的地基上建桥时,应采用深基础,使桩或沉井穿过可能液化的土层埋人较稳定密实的土层内一定深度。并在桩的上部,离地面1～3m的范围内加强钢筋布设。

2.2.2 桥台抗震措施

桥台胸墙应适当加强,并增加配筋,在梁与梁之间和梁与桥台胸墙之间应设置弹性垫块,以缓和地震的冲击力。采用浅基的小桥和通道应加强下部的支撑梁板或做满河床铺砌,使结构尽量保持四铰框架的结构,以防止墩台在地震时滑移。

当桥位难以避免液化土或软土地基时,应使桥梁中线与河流正交,并适当增加桥长,使桥台位于稳定的河岸上。桥台高度宜控制在8m以内;当台位处的路堤高度大于8m时,桥台应选择在地形平坦、横坡较缓、离主沟槽较远且地质条件相对较好的地段通过,并尽量降低高度,将台身埋置在路堤填方内,台周路堤边坡脚设置浆砌片石或混凝土挡墙进行防护,桥台基础酌留富余量。

如果地基条件允许,应尽量采用整体性强的T形、U形或箱形桥台,对于桩柱式桥台,宜采用埋置式。对柱式桥台和肋板式桥台,宜先填土压实,再钻孔或开挖,以保证填土的密实度。为防止砂土在地震时液化,台背宜用非透水性填料,并逐层夯实,要注意防水和排水措施。

2.2.3 桥墩抗震措施

利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法。高墩宜采用钢筋混凝土结构,宜采用空心截面。可适当加大桩、柱直径或采用双排的柱式墩和排架桩墩,桩、柱间设置横系梁等,提高其抗弯延性和抗剪强度。

在桥墩塑性铰区域及紧接承台下桩基的适当范围内应加强箍筋配置,墩柱的箍筋间距对延性影响很大,间距越小延性越大。

桥墩的高度相差过大时矮墩将因刚度大而最先破坏。可将矮墩放置在钢套筒里来调整墩柱的刚度和强度,套筒下端的标高同其他桥墩的地面标高。

2.2.4 支撑连接构件抗震措施

墩台顶帽上均应设置防止落梁措施,加纵、横向挡块以限制支座的位移和滑动。橡胶支座具有一定的消能作用,对抗震有利。在不利墩上还应采用减隔震支座(聚四氟乙烯支座、叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座等)及塑性铰等消能防震装置等。

选用伸缩缝时,应使其变形能力满足预计地震产生的位移,并使伸缩缝支承面有足够的宽度,同时设置限位器与剪力键。

2.2.5 上部结构抗震措施

落梁震害极为常见。实践证明,加强上部结构的整体性,限制其位移,是提高桥梁上部结构抗震能力的有效措施。预防措施有:

(1)通常在梁(板)底部加焊钢板,或采用纵、横向约束装置限制梁的位移,如拉杆、钢筋砼挡块、锚杆等,梁与墩帽用锚栓连接,T梁在端横隔板之间螺栓连接,曲梁桥,应采用上、下部之间用锚栓连接的方式。桥梁的支座锚栓、销钉、剪力键等应有足够的强度。

(2)梁端至墩台帽或盖梁边缘的距离,以及挂梁与悬臂的搭接长度必须满足地震时位移的要求。

(3)桥梁跨径较大时,可用连续梁替代简支梁以减少伸缩缝,宜采用箱型截面。

(4)当采用多跨简支梁时,应加强梁(板)之间的纵、横向联系,将桥面做成连续,或采用先简支后结构连续的构造措施。

(5)采用真空压浆方法,保证预应力管道水泥浆饱满,提高预应力桥梁的强度和刚度。

2.2.6 结点抗震措施

桥梁结点区域一旦受损将难以修复。城市高架桥墩柱的结点、桥墩与盖梁的结点、桥墩与基础的结点等,是保证桥梁整体工作的重要构件。在桥梁抗震设计中,除了保证墩、梁有足够的承载力和延性外,还要保证桥梁结点有足够的承载力,避免结点过早破坏,即“强节点,弱构件”。

3 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,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。