桥梁抗震设计有关问题分析

李克军

摘要 本文介绍了桥梁的震害及特征,阐述了公路桥梁抗震设防原则及分类,提出了具体的桥梁抗震设计思路,同时,根据具体的设计实例,也对桥梁抗震设计的方法做了具体阐述。

关键词 抗震设计;震害;构造设计

中图分类号 U442.1 文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2009)08-0035-02

0 引言

我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间,属多震国家,在抗震救灾中,公路交通是抢救人民生命、恢复生产的生命线。为保障公路桥梁设施的完好,发挥其在抗震救灾中的作用,需对公路桥梁设计进行深入的抗震计算和研究。结构抗震构造设计是桥梁设计中的重要环节,涵盖内容丰富,若能把地震力效应的受力计算以及概念设计综合运用到桥梁设计上,往往会得到事半功倍的效果。

1 桥梁的震害及特征

对国内外震害的调查表明,在过去的地震中,有许多桥梁遭受了不同程度的破坏,其主要震害有以下几点:

1)桥台震害。桥台的震害主要表现为桥台与路基一起向河心滑移,导致桩柱式桥台的桩柱倾斜、折断和开裂。重力式桥台胸墙开裂,台体移动、下沉和转动。

2)桥墩震害。桥墩震害主要表现为桥墩沉降、倾斜、移位,墩身开裂、剪断,受压缘混凝土崩溃,钢筋裸露屈曲,桥墩与基础连接处开裂、折断等。

3)支座震害。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,并由此导致结构力传递形式的变化,进而对结构的其它部位产生不利的影响。

4)梁的震害。桥梁最严重的震害现象是主梁坠落。落梁主要是由于桥台、桥墩倾斜或倒塌,支座破坏,梁体碰撞,相邻桥墩间发生过大相对位移等引起的。

5)地基与基础震害。地基与基础的严重破坏是导致桥梁倒塌,并在震后难以修复使用的重要原因。地基破坏主要是指因砂土液化,不均匀沉降及稳定性不够等因数导致的地层水平滑移、下沉、断裂。

6)另外桥梁结构的震害还表现在:结构构造及连接不当所造成的破坏,桥台台后填土位移过大造成的桥台沉降,或斜度过大造成墩台承受过大的扭矩引起的破坏。

2 桥梁的抗震设计

桥梁的抗震设计应分两阶段进行:1)在方案设计阶段进行抗震概念设计,选择一个较理想的抗震结构体系;2)在初步或技术设计阶段进行延性抗震设计,并根据设计思想进行抗震能力验算,必要时进行减、隔震设计提高结构的抗震能力。

2.1 抗震概念设计

由于地震发生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。在抗震概念设计时,要特别重视上、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。

为了保证所选择的结构体系在桥址处的场地条件下确实是良好的抗震体系,必须进行简单的分析(动力特性分析和地震反应评估),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结构体系抗震性能的优劣,决定是否要修改设计方案。

2.2 常用的抗震设计方法

实用的抗震方法是增加结构的柔性以延长结构的自振周期,达到减小由于地震所产生的地震荷载和增加结构的阻尼或能量耗散能力以减小由于地震所引起的结构反应。当前,比较容易实现和有效的抗震方法主要有以下几点:

1)采用隔震支座。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)在梁体与墩、台的连接处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应。大量的试验和理论分析都表明,采用减、隔震支座桥梁结构的梁体通过支座与墩、台相联结的方式对桥梁结构的地震反应有很大的影响,在梁体与墩、台的联结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力。

2)采用隔震支座和阻尼器相结合的系统。利用桥墩在地震作用下发生弹塑性变形耗散地震能量以达到减震的目的,利用桥墩的延性抗震。近20年来,国外在桥梁减、隔震和延性抗震方面进行了许多研究,美国、新西兰和日本等在桥梁设计规范中都列入了相应的条款。

3)利用桥墩延性减震。利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法,桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性,以便在强震作用下使这些部位形成稳定的延性、塑性铰,产生弹塑性变形来延长结构周期,从而耗散地震能量。在进行延性抗震设计时,按弹性反应谱计算塑性反应的地震荷载需要修正,桥梁抗震设计规范采用了综合影响系数来反映塑性变形的影响。

3 工程实例

3.1 工程概况

舟山大陆连岛工程主线桥左幅46~48 号墩,上部结构为3~25m组合式小箱梁,先简支后连续结构,每幅8片箱梁,梁高1.4m。每片箱梁下设2个支座,45、48号墩台设滑板支座,46、47号墩设板式橡胶支座。

下部结构:墩柱为1.4×1.4m的方柱,基础为灌注桩基础,桩径为1.5m,柱高及桩长见下表。

柱高及桩长数量表

桥面为四车道,设计汽车荷载为公路-I级。

桥面铺装:10cm砼+8cm沥青砼。

3.2 计算资料

3.2.1 支座的抗推刚度

每个梁端有两个支座,横向一排有16个支座,故支座刚度为板式橡胶支座:Kr=nAG/t=(16×100000×1.2)/50=37892KN/m,其中支座面积为A=π×(350/2)×(350/2)= 100000mm2

橡胶支座弹性剪切弹性模量G=1.2MPa,支座橡胶层总厚度t=65×0.75=50mm

3.1.2 二期恒载

桥面铺装:(0.1×22.5×25+0.08×22.5×23)=98KN/m

护栏:8×2=16KN/m

二期恒载:98+16=114 KN/m

3.1.3 抗震反映谱分析

结构分析采用Midas分析程序,动力特性采用离散结构的有限元分析方法,主梁、盖梁、桥墩和桩基础均离散为空间梁单元。对于边界条件的模拟,根据静力刚度等效的原则,采取将桩基础在地表以下一定深度固结处理,主梁与各桥墩间的约束条件根据设计计算的支座刚度采用一般弹性连结。

采用迈达斯程序建模,采用反应谱程序分析方法,如下:

3x25m连续梁动力特性

3.1.4 反应谱计算结果

桩基最不利截面的地震

此为桩基配28根直径28mm钢筋的计算结果,结果满足要求。

My为对应截面首根钢筋屈服是对应的弯距;

Mne为对应截面受压区砼压应变达到0.003时对应的弯距;

My、Mne的计算方法同Ⅰ类桩基。

4 结论

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性和反应,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阻。

参考文献

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[2]JTG D60-2004.公路桥涵设计通用规范[S].

[3]JTG D62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[4]JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震设计细则[S].