公路桥梁设计与抗震措施分析

公路桥梁设计与抗震措施分析摘要：重视高烈度地震区桥梁工程的抗震设计是必要的,但应在满足抗震设防目标的前提下选择合理的桥跨、桥式结构方案,尽可能将工程投资的费用控制在一个合适的范围内。本文探讨了公路桥梁设计与抗震措施。关键词：公路桥梁；设计；抗震措施中图分类号：U448.14文献标识码：A文章编号：近几年来频频发生的破坏性地震给桥梁工程带来的巨大损害，不仅严重阻断了震区交通生命线的连贯，使地震带来的次生灾害进一步加重，同时也给震区的灾后重建工作带来了极大的困难。这些因素都使得如何在桥梁设计各环节步骤中做好抗震技术工作显得势在必行。一、桥梁震害的破坏形式1、落梁破坏,一种是由于弹性设计理论采用毛截面刚度,这样就会低估横向地震作用和位移。导致活动节点处所设置的支座长度明显不足以及相邻梁体之间因横向距离不足而引起的相互冲击,造成落梁及相邻结构的撞击破坏;另外一种是由于地基土的作用造成大的地震位移,这种桥梁震害主要发生在建在软土或者可能液化的地基土上的桥梁上。软土通常会使结构的振动反应放大,使得落梁的可能性增加。2、桥台沉陷,当地震加速度作用时,由于桥台填土与桥台是不完全固结的,桥台填土的纵向土压力增大,桥梁与桥台之间的冲撞会产生相当大的被动土压力,造成桥台有向桥跨方向移动的趋势。由于桥面的支撑作用,桥台将发生以桥台顶端为支点的竖向旋转,导致基础破坏。如果桥台基础在液化土上,又将引起桥台垂直沉陷,最终导致桥梁破坏。3、墩柱破坏,桥梁属于“头重脚轻”结构。墩柱一般是桥梁抗侧向力的主要构件,因此墩柱的破坏是最普遍的。墩柱破坏的主要表现形式有:弯曲强度不足、弯曲延性不足、纵筋搭接区的抗弯能力以及剪切强度不足等。墩柱的破坏往往引起一系列的连锁反应,如落梁、整个结构的倒塌等。图1墩柱破坏4、盖梁破坏,盖梁的结构形式一般包括两种情况,一种为悬臂结构,另一种为两端刚结于柱的深梁结构。由于盖梁相对来说较短,其破坏形式主要表现为抗剪强度不足或锚固筋不能满足抗拉要求,引起锚固端破坏。5、节点破坏,节点区域应力是比较复杂的。连接节点包括弯结点和T型结点,在地震荷载和重力荷载的作用下处于复杂而又变化的应力状态,再加上节点区域钢筋大量相交,造成混凝土施工的困难,使节点区形成人为地震薄弱环节。常导致节点区域混凝土的压碎和锚固筋的破坏。以上所介绍的桥梁几种破坏形式是相互影响的。不同的地质条件和不同的抗震措施所造成破坏的程度和类型往往是不同的。当发生强烈的地震时,往往是桥梁的整体遭受地震作用。因此在桥梁的设计中尤其是不规则桥梁和大跨度桥梁,必须从整体分析桥梁的抗震性能。二、桥梁抗震设计的原则在抗震设计的过程中应当尽可能的遵循下列几项原则，使桥梁整体结构能够在刚度、强度、延性等硬性指标上取得最科学最合理的配置。简单的说，使桥梁抗震技术在设计中遵循相应原则是关系到安全、经济、抗震救灾等社会发展指标的重要课题。1、合理选址。桥梁工程在建设施工的前期规划中需要对桥梁主体场地选择问题加以关注。首先，合理的桥梁建设场地应以坚硬地质结构为首选，避免松软场地在地震时发生地基失效的现象。其次，当交通运输发展实际要求桥梁工程不得不在松软场地区域建设的时候，桥梁的整体结构设计需要尽可能的提高基建整体性能，将地震造成地质结构不均匀变形的可能性降到最低。2、系统规范的结构整体。首先，桥梁各系统部分的受力与散力性能需要始终保持在较均衡水平，各结构部件与桥梁主体间的联通程度要比较好。其次桥梁主体尽可能选取表面连续的硬质建材，尤其是对于地处地震多发带的桥梁而言，在设计中应避免使用拼接形式的桥面主体，以此防止桥梁主体在地震力作用下发生地基共振并导致桥梁坍塌现象的产生。3、高刚度、强度与延性的结构构件。从理论上来说，地震引发的基体结构性震动是地震导致桥梁发生结构性破坏的最直接原因。因此，在桥梁抗震设计过程中，需要建立一套具备高刚度、强度与延性的结构构件，减少与缓解由地基传入桥梁结构的震动能量，达到桥梁抗震的功效。其中高刚度在控制结构变形中的优势最为明显，需要相关人员加以格外关注。4、能力差异性设计。传统的桥梁抗震设计多推行一种同等安全度的设计思想，即桥梁的各个结构构件，不论参与桥梁运行地位与重要程度之间有多少不同，其抗震安全性能应维持在同一水平上。显然，这种设计思想是不科学的。能力差异性设计思想强调对桥梁结构运行中处于不同地位、发挥不同作用的结构部件采取差异性的抗震安全度，以此做到有针对性、有侧重点的桥梁抗震。5、多渠道的抗震防线。桥梁结构设计中应该配备多条制约地震侧向力的安全防线。就算地震产生的大规模破坏性作用力对桥梁初始防线造成破坏，后面的辅助抗震防线依然能够为桥梁的正常运行提供安全保障。与此同时，修缮一道安全防线所耗费的人力物力财力是远远低于桥梁坍塌后发生的重建开支的，其经济效益也显得较为明显。三、公路桥梁设计抗震设防措施1、上部结构抗震设防措施（1）尽量采用连续桥跨尽量采用连续的桥跨代替简支梁跨,进而减少伸缩缝的数量,降低落梁的可能性,同时也提高了桥上行车的舒适性。（2）桥跨不宜太长地震区桥跨不宜太长,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。（3）简支桥梁加固措施对常规的简支桥梁结构,首先,应加强桥面的连续构造,在梁与梁之间、梁与桥台之间应采用钢筋拉杆连接,以及需提供足够的加固宽度以防止主梁发生位移落梁,另外还应适当加宽盖梁及支座的宽度,并增设防止位移的隔挡装置等。其次,应采用防震锚栓,在平常荷载作用下梁体可以在预留的空间内伸缩变形,自由滑动;在地震荷载作用下,防震锚栓可起到限位耗能的作用,减耗部分地震能量。2、支座抗震设防措施一是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。二是对高烈度区的桥梁设计应在纵向设置一定的消能装置,如采用聚四氟乙烯支座、迭层橡胶支座、铅芯橡胶支座等减、隔震支座以及在梁体与墩台的连接处增加结构的柔性和阻尼,以便共同受力和减小水平桥梁荷载的作用。三是由于拱桥对支座水平位移十分敏感,同时两边桥台的非同步激振会引起较大的伪静力反应,有时甚至会大于惯性力所引起的动力反应,因此要求震区的拱桥墩台基础务必设置于整体岩盘或同一类型的场址上,以保证地震时各支座的同步激振。3、下部结构和基础抗震设防措施（1）桥位的选择首先,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上通过时,应尽量采用桥梁中线与河流正交,这样即使地震产生河岸滑移,影响也较小;若采用斜交,地震时极易产生河岸向河心滑移,会使桥梁随之发生错动或扭转破坏。其次,还应注意在主河槽与河滩分界的地形突变处,尽量避免设墩,否则应采取加强措施以减免滑移。另外,桥梁的基础应尽可能的建在可靠的地基上,否则软土的液化会加大地震反应和效力。（2）墩柱设计墩柱设计中应尽可能的使用螺旋形箍筋,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度以增强连接点的延性。并且将桥墩某些部位(如墩脚)设计成具有足够的延性,以使在强震作用下使该部位形成稳定的延性塑性铰,并产生弹塑性变形来延长结构的振动周期,耗散地震力。另外,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。（3）其他措施桥梁结构以采用跨度相等、每联连续跨内下部墩身刚度相等为宜。跨度不均,墩身刚度不等极易发生震害,这已经为国内外许多震害所证实。对各墩高度相差较大的情况可采用调整墩顶支座尺寸和桩顶设允许墩身位移的套筒来调整各墩的刚度,以便使之刚度尽量保持一致。为了缓冲梁体之间、梁与防震锚栓、梁与防震挡块、梁与桥台背墙之间的撞击,在接触面上采用包裹氯丁橡胶缓冲层等抗震措施。综上所述，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