公路桥梁结构的抗震设计要点分析

公路桥梁结构的抗震设计要点分析摘要：我国是世界地震多发国家之一,具有频度高、强度大、分布广的特点。公路桥梁这种典型的线状工程地震易损性较高。因此,我们要认真的对震害进行分析,从震害中吸取经验和教训,推动桥梁抗震设计理论、方法和抗震措施不断发展及进步,从而更大限度的减少国民经济损失。本文介绍了抗震设计原则，分析了桥梁结构的抗震设计要点，阐述了桥梁抗震设计注意事项。关键词：公路桥梁结构抗震设计原则要点中图分类号：X734文献标识码：A文章编号：一场大地震对桥梁的损害是直接的，同时由于道路的不通畅也进一步造成了更多人员的伤亡以及更大的经济损失，然而，地震的发生是不可避免的。四川汶川县发生的8.0级地震至今给人们的影响还远远没有消去。如何在以后的桥梁抗震设计中做到更经济、更有效地抗击地震引起的破坏，始终是桥梁抗震研究设计人员需要认真学习、研究的重要课题。一、抗震设计原则合理的抗震设计，要求设计出来的结构，在强度、刚度和延性等指标上有最佳的组合，使结构能够经济地实现抗震设防的目标。要达到这个要求，就需要深入了解对结构地震反应有重要影响的基本因素。设计时应尽可能遵循的一些基本原则，这些原则基于历次的桥梁震害教训和当前公认的理论认识。1、场地选择除了根据地震危险性分析尽量选择比较安全的场址之外，还要考虑一个地区内的场地选择。选择的原则是：避免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及其影响可及的场地都是危险地区。在地基稳定的条件下，还可以考虑结构与地基的振动特性，力求避免共振影响；在软弱地基上，设计时要注意基础的整体性，以防止地震引起的动态的和永久的不均匀变形。2、体系的整体性和规则性桥梁的整体性要好，上部结构应尽可能是连续的。整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被震散掉落，同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。无论是在平面或立面上，结构的布置都要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规整，避免突然变化。3、提高结构和构件的强度和延性桥梁结构的地震破坏源于地震动引起的结构振动，因此抗震设计要力图使从地基传入结构的振动能量为最小，并使结构具有适当的强度、刚度和延性，以防止不能容忍的破坏。在不增加重量、不改变刚度的前提下，提高总体强度和延性是两个有效的抗震途径。刚度的选择有助于控制结构变形；强度与延性则是决定结构抗震能力的两个重要参数。由于地震动是周期反复作用的运动，还要注意周期反复变形下结构和构件的刚度与强度的退化效应。只重视强度而忽视延性绝对不是良好的抗震设计。4、能力设计原则过去的设计思想认为，理想的设计是使结构各构件都具有近似相等的安全度，即结构中不要存在局部的薄弱环节。但由于结构各构件的重要性程度并不相同，等安全度设计思想并不合适，尤其对于抗震结构，更是如此。能力设计思想强调强度安全度差异，即在不同构件（延性构件和能力保护构件不适宜发生非弹性变形的构件统称为能力保护构件）和不同破坏模式（延性破坏和脆性破坏模式）之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异，确保结构在大地震下以延性形式反应，不发生脆性的破坏模式。在我国当前建筑抗震设计中，普遍采用“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想，这种思想即为能力设计原则的具体体现。5、多道抗震防线应力图使桥梁具有多道抵抗地震侧向力的体系，则在强地震动过程中，一道防线破坏后尚有第二道防线可以支承结构，避免倒塌。因此，超静定结构优于同种类型的静定结构。但相对于建筑结构，桥梁在这方面可利用的余地通常并不大。二、桥梁结构的抗震设计要点分析1、桥梁延性设计。延性抗震设计理论已经发展了近50年,早已列入国外桥梁抗震设计规范。我国在2008年颁布实施的公路桥梁抗震设计细则中增加了桥梁延性抗震设计和能力保护原则的有关规定,以期增加初始强度没有明显变化的情况下结构的非弹性变形能力,避免结构在大震中倒塌。在汶川地震中,就出现了许多脆性破坏,致使桥梁失效、倒塌,可见延性设计的重要性。2、设计烈度。根据大量震害调查的事实表明,在基本烈度7度以下,桥梁震害极为轻微,因此规范中规定桥梁结构抗震设防的一般起点为基本烈度7度,最高9度。7度以下,结构不必进行抗震设计,高于9度或有特殊抗震要求的新型结构要进行专门的抗震设计。3、设计方法。对一般桥梁工程,可按规范所规定的简化方法进行结构抗震设计。我国规范是采用反应谱理论进行抗震设计,即根据设计烈度,以简便的地震荷载系数计算地震惯性力,作为地震荷载,然后以一般结构静力计算步骤求得结构最大内力和变位,使其控制在规范容许值的范围内来确保结构的抗震安全。对大跨度或特别重要的桥梁结构,应对结构进行地震动力分析(地震反应分析)。分析的方法一般是直接根据建桥地区在强震时地面运动的加速度记录,依照动力学的原理,对结构作地震动力分析计算。对于已经建成的桥梁结构,如不满足现行规范抗震设防的要求,也可通过结构地震动力分析作进一步的抗震鉴定和决定最优加固方案。4、抗震强度及稳定性验算。桥梁的抗震设计要根据安全和经济两方面统筹考虑,针对不同强度的地震采取不同的设计方法和要求。桥梁抗震强度及稳定性验算一般只需考虑水平地震荷载,并在顺桥和横桥两个方向分别进行计算,主要验算地基承载力、桥墩的水平地震荷载及内力、桥台的土压力和水平地震力等。三、桥梁抗震设计注意事项1、尽量将桥轴线设计成直线，曲线梁使结构地震反应复杂化，尽可能使桥台和桥墩与桥轴线垂直，斜交会引起转动响应而增大位移。2、尽量少用伸缩缝，将桥面做成连续的，简支梁地震时容易落梁。3、基础尽可能建在岩石或坚硬冲击土上，软土或砂土易于放大结构的位移响应，且软土有震陷、饱和砂土有液化等地质地震灾害。4、沿纵、横桥向的桥墩刚度尽可能一致，刚度变化太大，地震时，较刚性的桥墩容易破坏。5、能用小跨径可能不用大跨径，地震作用下，大跨径桥梁墩柱轴向力大，使得墩柱的延性能力降低。6、塑性铰应设置在墩柱上，易于观察和修复；不应设计在盖梁、主梁、水中或地下的的桩顶处，不便观察和修复。7、材料和结构型式的选择应遵循以下原则：材料重量比要大（轻质高强）；变形能力要大（耗能的需要）；强度和刚度的衰减要小（地震作用是反复作用的）；结构整体性要好（地震时不易脱落）；造价要合理。8、设置多道抗震防线，尽可能用超静定结构，避免使用静定结构。9、防止脆性与失稳破坏，增加结构延性。四、实例分析某桥梁总体布置为40m+40m+40m的连续刚构桥,截面是单箱单室(如图1所示),桥宽93m,墩高10m,桥墩截面如图2所示。该桥所在区域抗震设防烈度为度,按中国地震动参数区划图(GB18306-2001)规定,地震动峰值加速度为0.1g。根据公路工程抗震设计规范(JTJ004-89),采用类场地土反应谱,取结构重要性系数1.3。图1箱梁截面(单位:m)图2桥墩截面(单位:m)经计算,得出结构在恒载、公路工程抗震设计规范反应谱