浅谈如何运用概念设计在宏观上把握公路的抗震能力

浅谈如何运用概念设计在宏观上把握公路的抗震能力

钱铖

南通市公路管理处江苏南通226001

摘要：公路是抗震救灾和灾后重建的生命线，在概念设计阶段使其具有较强的抗震害能力和灾后恢复能力，对震后救援工作具有重要意义。

关键词：公路；概念设计；宏观；抗震

近年，世界各地高震级地震频发。在我国，2008年5月12日，四川省汶川县发生里氏8.0级大地震，2010年4月14日，青海省玉树地区发生7.1级强烈地震。在两次重大地震灾害中，公路的抢通保畅成为了灾后救援、重建工作及时开展的关键。可以说，公路是抗震救灾和灾后重建的生命线，特别是高等级的干线公路，公路服务水平较高，有利于大型机械的运输。因此，在公路工程概念设计阶段，应系统地引入抗震机制，预控一定程度的地震影响，将地震作用对公路的损毁程度降至最低。

地震引起的公路破坏类型具有复杂性、多样性、并存性。根据地震对公路破坏的机理，可以分为直接破坏和次生破坏两种形式。直接破坏是由于地震振动的挤压、张裂，局部地形受力变形，或隆起，或沉降，或扭曲，造成公路路基沉陷、断裂、错台、开裂、隆起等破坏。次生破坏是由于地震引起的间接破坏，如构造物场地土液化，桥隧移位、倾斜、开裂、路基损毁、边坡失稳等。

此外，根据公路工程结构组成，地震对公路破坏形式主要可分为路基路面破坏、边坡破坏、桥涵的下部结构、上部结构破坏。

1.路基路面破坏

路基路面破坏的表现形式主要有：路面错台、开裂、裂缝、隆起；路基沉陷、扭曲变形；破坏大多源自地震时的直接破坏。在烈度设防地区，概念设计时，从灾后迅速抢通的角度出发，宜选用开放交通快、抢修材料与施工机械灵活多样的沥青路面，可更好地满足灾后救援对抢通时间的要求。同时，对路面基层的选择，沥青稳定类基层的施工便易性及变形适应能力均优于水泥稳定基层，特别紧急的情况下可边施工边开放交通，在多震地区及震后抢修工程，建议选用沥青类稳定基层。

2.边坡破坏

边坡破坏是地震造成的分布范围最广、破坏最严重的病害之一，主要有滑坡、崩塌、落石和碎落等失稳形式。在概念设计阶段，主要要从优化分析方法着手。

目前我国普遍采用拟静力法用于边坡的稳定性分析，具体是将地震力沿着滑动面分解为垂直方向和水平方向的分力进行分析，最后得到边坡的稳定系数。拟静力法不能很好地反映地震动力响应过程，对于边坡不稳定区域的位移、应力场等变化趋势，拟静力法也不能进行分析。为了分析边坡在地震作用过程中的变形趋势，可以采用动力有限元理论进行分析，这是一种将动力反应位移、动力速度与地震加速度作用时间三者相互联系的方法，该方法可以确定边坡在地震作用过程中，滑动面的位置及形状、应力场的变化趋势，同时，结合二维有限元程序Quake，通过输入地震波水平和垂直的地震加速度来反映边坡在地震荷载下的动力响应特征及边坡破坏过程，可更好地模拟边坡失稳时的时程状态，其计算结果可为边坡失稳预控提供更可靠的依据。

3.桥涵构造物下部结构破坏

按桥涵构造物下部结构分部，震害主要集中在以下几个方面：

3.1桥台滑移、下沉、转动，在地震作用下，原来在静力作用下处于稳定的倾斜土体可能产生滑裂面，滑裂面从台后填土延伸至台底，造成桥台整体向河心滑移。在桥台岸坡抗震概念设计中，除了强度、承载力外，位移控制也是一个重要的内容。在整个地震过程中，土体各个单元的动应力及动孔压随自身性质不同而不同，其动力抗滑稳定安全系数也不同，所以应计算出每一单元岸坡土体的抗滑稳定系数。

在岸坡动力位移计算中，简化毕肖普法可较好地模拟土体的时程状态，即假设压实土体为刚塑体，计算岸坡上潜在滑动面的各个单元的稳定系数，对其中稳定系数小于1.25的瞬时超载阶段的滑移体，通过时间积分计算潜在滑动体的滑移量。假定滑裂面为光滑渐变的非圆弧曲面形式，滑动体发生运动后各土条的几何形状不改变，各土条间发生相对剪切运动，当土条滑动的水平距离超过该土条宽度后，该土条将在下一个相邻土条所在的斜面上发生滑动。通过简化毕肖普法，可计算得潜在滑动体的地震滑移量，可以在地震发生之前预先知道各个滑动体单元及桥台的潜在变形位移量，因而能采取措施对危险滑体预先进行一定的量化控制。

3.2桥墩失稳倾斜、墩身开裂、基础下沉及混凝土桥墩下部钢筋屈服，造成墩顶位移过大，从而引起上部结构发生落梁、主梁相撞等损坏。造成墩身变形的一个很重要的原因是桥墩刚度和质量不平衡，而桥墩刚度和质量不平衡会导致水平地震力在各墩间的分配不理想，刚度大的墩将承受较大的水平地震力，影响了结构的整体抗震能力。同时，当刚度中心和质量中心偏离较远时，上部结构易产生水平扭转，增加了落梁和碰撞等破坏的几率。我国2008年新颁布的《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）对桥墩刚度和质量平衡没有明确要求，而美国《桥梁抗震设计准则》对于连续梁桥桥墩之间的刚度比和基本周期比都做了明确规定，即要求尽可能采用等墩高、等跨径、等桥面宽度的结构形式，通过调整墩的直径和支座形式等方法来改善全桥的平衡情况，在前期概念设计中，桥墩形式的选择是主要考虑因素。

对于位于平曲线上的桥梁，在地震发生时，桥墩的地震响应为弯扭耦合震动，桥墩的截面形式要求具有较好的抗弯刚度和抗扭刚度；普通双柱墩横向抗弯刚度较好，但是纵向抗弯刚度和抗扭刚度较差，桥墩较高时，双柱墩在弯矩、剪力、轴力的共同作用下容易发生墩柱的失稳破坏。门架墩的刚度比普通双柱墩好，但随着桥墩高度的增加，由于横向是通过系梁将两根门架柱联系，因此横向刚度和整体较差，抗扭刚度较小。

独柱T形墩和空心薄壁墩都具有各方向抗弯、抗扭刚度较大，整体性好等优点。在高墩桥梁的设计中，独柱T形墩一般采用预应力悬挑式盖梁与刚度较大的墩柱组合，特点是截面横向尺寸比较小，相应的横桥向截面刚度较小；空心薄壁墩，其形式与独柱T形墩从外观上比较接近，但是截面横桥向尺寸比较大、桥墩横向刚度较大。

因此，从桥墩选型来考虑，梁桥独柱T形墩和空心薄壁墩有一定的优势，预应力混凝土刚构多采用单薄壁墩、双薄壁墩。

4.桥涵构造物上部结构破坏

按桥涵构造物上部结构分部，震害主要集中在以下几个方面：

4.1支座体系失效。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。桥梁支座历来被认为是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的一个环节，其主要原因是支座设计没有充分考虑抗震的要求，连接与支挡等构造措施不足，以及某些支座形式和材料本身的缺陷。

近年，我国一些研究机构研制出一种辊轴摩擦支座，值得提倡。这种辊轴摩擦支座主要由上支座板、下支座板、辊轴、聚四氟乙烯夹层、不锈钢衬板等组成。在中等以下的地震作用下，上下支座与钢衬板之间将产生相对运动，此时支座与不锈钢板之间将产生摩擦阻力消耗能量，聚四氟乙烯起摩阻作用，阻止支座与钢衬板之间的相互滑动，整个体系将处于安全状态；当地震强度达到一定程度时，摩擦滑移层受到的地震作用力大于摩擦阻力，上下支座将随着辊轴的转动而与钢衬板滑移，通过滑移摩擦消耗能量阻止地震能量上传，从而起到隔震作用，达到地震强度增大而上部结构内力不增加的目的。同时由于这种结构只会使上部结构产生平动，所以在巨大的随机地震力作用下，只要上、下结构本身不破坏，由于这种支座的存在就不会发生落梁。由于辊轴只在一定的范围内运动，震后对结构进行复位也是比较容易的。

4.2桥跨结构的损坏。桥跨结构直接承受车辆荷载，它的垮塌往往是毁灭性的灾害。

对于梁式桥，地震时，易发生相邻梁体碰撞、主梁坠落等损坏现象。其中，除有大量下部结构在地震时失效的原因，在概念设计时，上部结构的合理选型也有至关重要的作用，根据有关文献记载，在汶川地震中，概念设计较好的庙子坪大桥的主桥采用刚构桥，跨越断层的桥跨段采用了简支梁结构，在地震中，仅一跨出现落梁现象，没有发生全桥倒塌，大量抗震结构分析表明，采用简支梁较采用连续梁更容易发生落梁。其它引起落梁、梁体碰撞的原因还有：斜桥桥墩传递给上部结构的地震力与桥梁的轴线斜交，促使桥梁上部结构平面转动；盖梁的抗震挡块不能抵抗上部结构转动时，也会发生落梁破坏，而且桥梁的转动会加剧主梁间的碰撞，造成主梁和伸缩缝等构件的破坏。如果墩梁固结，多余约束在强震中形成塑性铰，可以大量耗能，则可以提高梁式桥的抗震性能。

对于拱式桥而言，则更易发生全桥整体倒塌的严重后果。这是由拱桥的自身构造特性所决定的。拱桥，以受压为主，主拱圈的轴压比较大，导致其延性较差，因此，一般认为，拱式桥是一种抗震性能不佳的桥型，在高抗震设防烈度地区不建议采用拱式桥型。

当前在桥梁结构抗震分析中，反应谱法还是最基本最广泛使用的分析方法。但在应用反应谱方法进行抗震分析时，没有考虑各支座在地震作用下运动的不一致性，而是假设所有各支座都是按相同的规律运动，有一定的局限性。地震作用反应时程分析法是用数值积分求解运动微分方程的一种方法，它可将地震作用的特性与结构的固有特性很好地联系起来，特别是能与结构的弹塑性反应联系起来。但计算量庞大是其运用到实际设计时的一大障碍，近年来，随着计算机技术的迅速发展，时程分析法仍不失为求解非规则桥梁在多点地震动激励作用下非线性反应的最好的解决方法之一。

结语

地震运动是复杂的随机过程，地震引起的公路破坏类型也具有复杂性、多样性、并存性。本文依据地震作用下公路损毁的主要形式对概念设计阶段应重点把握的关键因素及主要抗震分析方法进行了总结，强调了优化设计方案，优选分析方法对提高公路抗震性能的重要性。归纳如下：

（1）谨慎选择路线、桥位、桥型方案，尽量避绕断裂带。

（2）尽量选用便于灾后重建，施工周期短、成型快的路基路面形式，并结合当地现有资源，保护环境，实现灾后重建的可持续发展。

（3）相比传统的分析方法，动力有限元理论及毕肖普法可更好地模拟土体滑移的时程状态，其计算结果具有较强的实际价值。

（4）优选桥梁下部结构形式，优化构造措施，调整结构内力形式，尽量平衡墩体的刚度与质量分布。

（5）强化桥梁支座体系的隔震、耗能机制，最大限度地确保上部结构的安全。

（6）时程分析法为桥梁在多点地震动激励作用下较好的分析方法之一。