橋梁結構抗震設計與設防措施

伴隨著現代化城市發(fā)展步伐的進一步加快，各城市間的合作交流機會增多，往來貿易日益頻繁，在此過程中，作為連接城市與城市的紐帶——公路橋梁所發(fā)揮出的作用是非常巨大的。為進一步發(fā)揮出公路橋梁的巨大作用，就必須持續(xù)加大公路橋梁建設力度，加大橋梁設計研究，尤其要加大公路橋梁抗震設計工作，以不斷提升橋梁建筑的結構穩(wěn)固性、耐久性及安全性。張宏杰[1]認為，在公路橋梁建設實踐當中，科學有效的抗震設計是提升其總體質量、確保工程使用功能得以正常發(fā)揮及延長橋梁使用壽命的關鍵。因此，加強公路橋梁抗震設計意義重大。而要想使公路橋梁抗震設計工作更具科學性、合理性，就必須把握相關設計要點，如節(jié)點抗震設計、基于“性能”抗震設計、減隔震裝置優(yōu)選及橋梁結構細節(jié)設計等，從根本上解決公路橋梁設計中安全性不足、耐久性不高的問題，確保公路橋梁工程投入運營后的使用壽命及安全性。本文通過對相關文獻資料的梳理，分析了加強公路橋梁工程抗震設計的必要性及抗震設計研究現狀，就公路橋梁項目抗震設計要點談幾點認識。1加強公路橋梁結構抗震設計的重要性在公路橋梁工程設計階段，注重其抗震設計對于工程整體質量的提升、實現橋梁使用壽命的延長及投入運營后的行車安全起到決定性作用，而要實現公路橋梁設計安全性及耐久性指標的提升，設計單位及設計人員應對各個環(huán)節(jié)加以充分考慮，要運用科學、先進的理念進行設計，并不斷創(chuàng)新公路橋梁抗震設計方式，把握設計要點，根據實際情況制定最為科學、高效的設計方案，確保工程設計質量滿足其交通功能需求及安全使用標準。公路橋梁是中國經濟建設中非常重要的一項工作內容，因此，加強公路橋梁抗震設計，不僅是對人民群眾負責，更是在為進一步促進國家經濟建設發(fā)展做貢獻[2]。1.1橋梁結構抗震設防的基本標準從當前我國公路橋梁的抗震設計發(fā)展情況來看，橋梁的抗震設計基本為一級標準。在地震震動級別較大、震源淺、烈度較大的情況下，抗震技術參數往往會超過橋梁設計最開始考慮的范圍，如果公路橋梁結構抗震設計為一級，則是無法滿足整個橋梁的設計使用需求。最早時期頒布的《公路工程抗震設計規(guī)范》已經不再符合現有社會經濟發(fā)展對橋梁結構抗震性能的要求[3]。在新時期，橋梁結構的抗震設計標準具體如下所示：①橋梁的抗震設計需要根據地形、地質條件、工程規(guī)模、以往抗震經驗來選擇適合的橋型、墩臺和基礎形式。②橋梁結構的抗震設計需要能夠為抗震設計提供有力的支持，盡量避免高墩和大跨的結合。橋梁結構適合采用減少上部結構自重并有利于抗震的結構形式。③公路橋梁適合應用能夠提升橋梁結構整體性的連接方式，并采取有效措施來提升墩臺的延性。2公路橋梁抗震設計研究現狀傳統的結構抗震設計中，為了提高結構在地震來臨時的抗破壞能力，通常采取措施提高結構的強度或者采用減震裝置提高自身的變形能力。在進行實際的橋梁抗震設計時，需要采用一些技術或措施來提高結構物的整體性和安全性。在傳統設計中，主要通過增加配筋率，增大結構構件截面尺寸減輕地震對橋梁結構的影響，以防止倒塌，但此種處理方式因不能耗散地震能量，對于提升橋梁結構安全性的空間有限，還會破壞工程景觀，尤其對于工程造價控制方面不利。一般來說，按照控制系統是否需要外加能源，分為被動控制、主動控制、混合控制和半主動控制，其中，被動控制發(fā)展相對成熟，常用的減震方法主要有三種：基礎隔震、耗能減震和被動調諧減震[4]。當前橋梁抗震設計理論已經從過去普遍采用的基于地震力的設計轉變?yōu)榛谛阅艿脑O計，橋梁抗震關注的重點已經從結構抗震、減震轉向震后結構功能可恢復與快速恢復，能在不同地震強度下能實現多級性能目標的韌性橋梁成為橋梁抗震工程界的共識及未來發(fā)展方向。我國現行的橋梁抗震設計規(guī)范，無論是公路橋梁抗震設計規(guī)范（JTG/T2231-01—2020）還是城市橋梁抗震設計規(guī)范（CJJ166-2011）均采用三級設防的概念，希望橋梁實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”三級性能目標。具體為：在小震作用下，橋梁結構整體保持彈性，震后不產生損壞，不需修復可立即恢復使用；在中震作用下，允許橋梁結構產生一定的可修復的損壞，震后可通過修復恢復交通；大震作用下，允許橋梁結構發(fā)生不致倒塌的破壞，實現‘大震不倒’，避免危及生命安全。規(guī)范中與“三水準設防目標”相對應的是‘兩階段設計方法’，即在地震（頻遇地震）作用下通過結構截面的強度驗算，在地震（罕遇地震）作用下通過結構薄弱部位的彈塑性變形驗算，并采取相應構造措施。當前與‘兩階段設計方法’對應的兩大橋梁抗震設計理論為延性設計與抗震設計。其中延性設計是通過橋梁結構特定部位的延性變形耗散地震能量，而對于鋼筋混凝土梁橋，一般將墩柱作為延性構件設計，但實踐表明采用延性設計方法的橋梁通常在大震后存在較大損傷、修復困難；而抗震設計通常通過在特定位置安裝減隔震裝置，通過延長結構自振周期、增加結構阻尼、調整結構剛度分布等減小橋梁結構的地震響應，但由于設計方法的局限性，地震中往往出現減隔震裝置變形過大、失效等問題。對于連續(xù)梁橋等規(guī)則橋梁，目前其抗震設計仍普遍采用基于力的設計方法（反應譜法），設計地震力可通過其等效單自由度系統的基本周期T及設計反應譜計算，將計算出的水平地震力與結構彈性承載力進行對比，完成頻遇地震作用下結構的強度驗算。然而對于罕遇地震作用下結構的變形驗算，由于基于力的設計方法在結構進入彈塑性階段以后不再適用、無法有效預估罕遇地震作用下的結構變形，目前主要通過試算法，對經過強度驗算的橋梁進行罕遇地震強度下的地震分析（通常是時程分析），將分析得到的變形與容許變形對比，若不滿足變形驗算要求，則需調整配筋、截面等重新進行驗算，如此反復直至滿足變形要求，這一過程往往效率低下。除此之外，基于力的設計方法難以有效控制橋梁結構在地震下的破壞程度，導致罕遇地震過程中減隔震裝置可能發(fā)生失效、震后橋墩等關鍵位置易出現較大的殘余變形等問題，造成橋梁震后可恢復性差[5]。綜上，當前國內橋梁抗震設計方法存在需要迭代效率低、無法控制罕遇地震下結構的破壞程度等問題，與韌性橋梁的發(fā)展方向不符，因此具有更佳抗震性能且性能可控的抗震體系及更簡單明確的設計方法亟待建立和完善。3橋梁結構抗震設計與設防措施要點3.1結構加固設計當前，中國公路橋梁大多是鋼筋混凝土結構，橋體結構穩(wěn)固性除受到地質條件、自然條件影響外，還會受到固定荷載的影響；隨著運營時間的加長，在經過十幾年或數十年的運營后，公路橋梁會出現不同程度的老化問題，抗震效果就會弱化，不利于路橋安全運行。如果直接拆除新建，就會耗費大量資金，顯然在經濟、時間上不存在可行性。為此，必須在橋梁建設之初就加強抗震設計?，F階段，中國路橋建筑企業(yè)在應對橋梁結構加固方面，能夠靈活運用加鋪鋼材或擴大橋梁結構橫截面面積等方式。隨著中國社會經濟及科學技術水平的快速提升，橋梁結構加固技術手段不斷增多、新型高性能建筑材料也在逐漸增多，比如纖維增強材料的研發(fā)與應用，在提升橋梁結構穩(wěn)固性方面就起到了理想的效果[6]。3.2節(jié)點抗震設計節(jié)點是連接橋梁墩體、主梁的重要傳力構件。在橋梁結構中，節(jié)點所起作用最大，它能夠將橋梁上部荷載傳遞至橋墩，并經地面消散，保障橋梁整體結構的穩(wěn)定性。在公路橋梁設計之中，如果所選取的蓋梁剛度與墩剛度參數接近，地震災害發(fā)生時，側向慣性力就會使破橋梁結構受損，各節(jié)點區(qū)域內的箍筋就會在極短時間內受到巨大作用力，其剛度就會被削弱，抗震性能就會大幅下降，無法保障橋梁結構的整體穩(wěn)定性，因此，在橋梁（抗震設計）之中，一定要嚴格把控節(jié)點設計，合理設計其剛度參數，確保橋梁抗震性能能滿足橋梁結構質量要求。3.3基于“性能”抗震設計當前，在公路橋梁設計工作實踐之中，基于抗震性能的設計手段及方法得到了廣泛推廣與應用?；凇靶阅堋笨拐鹪O計其實就是設計人員在進行橋梁（抗震設計）之中，首先要明確橋梁抗震目標要求，對橋梁主體結構抗震性能進行科學界定，同時嚴格按照橋梁遭遇地震風險及應對辦法進行科學設計，同時結合《城市橋梁抗震設計規(guī)范》、《公路橋梁抗震設計規(guī)范》等相關設計規(guī)范進行科學合理的設計，以減少橋梁在地震力作用下的破環(huán)程度，提高橋梁的使用年限[7]。3.4合理選擇減隔震裝置減隔震裝置的選擇是否科學合理對橋梁減隔震效果的影響較大，因此，在進行公路橋梁抗震設計之時，一定要做好減隔震裝置的優(yōu)選。市面上常見的橋梁減隔震裝置主要有分層橡膠支座、互動摩擦式支座、鉛芯橡膠支座、鋼阻尼器、摩擦擺減隔震支座、雙曲面球型減隔震支座等類型，選擇時切不可盲目進行，一定要結合橋梁項目設計實際情況及抗震目標要求靈活選用。由于不同類型的減隔震裝置性能及應用機理是不同的，例如，摩擦擺減隔震支座減震裝置是充分應用了鐘擺原理，利用滑動界面相互摩擦方式實現地震能量的消耗，從而達到減震目標預期[6]；鉛芯橡膠支座是一種基于板式橡膠的支座，在應用該裝置時，需在支座中心位置處放置鉛棒，使支座阻尼性能發(fā)生改變，在橋梁主體結構及外力作用下，鉛芯會形成滯后阻尼的塑性變形，此過程中會吸收大量能量，而橡膠部分就可以為其提供重新恢復的作用力。在橋梁抗震設計之中，上述減隔震裝置一般都不是獨立應用的，往往配合使用，實現各減隔震裝置的優(yōu)勢互補，以達到共同提