山區(qū)大跨度橋梁設(shè)計(jì)

姜錫鋼　婁燕斌

摘要：大跨度公路橋梁往往處于公路交通運(yùn)輸?shù)臉屑~和咽喉地段，為道路生命線工程的重要組成部分。文章結(jié)合山區(qū)地形地質(zhì)復(fù)雜的道路特點(diǎn)以及不同橋梁結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，對山區(qū)大跨度橋梁的橋梁體系選擇、上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，并以連續(xù)梁橋?yàn)槔M(jìn)行了高墩的穩(wěn)定性分析，探討了山區(qū)大跨度橋梁設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并對大跨度公路橋梁進(jìn)行了抗震分析。

關(guān)鍵詞：山區(qū)大跨度橋梁；公路橋梁；橋梁設(shè)計(jì)；非線性地震反應(yīng)；多點(diǎn)激振效應(yīng)

中圖分類號(hào)：U448文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）11-0136-02

大跨度公路橋梁往往處于公路交通運(yùn)輸?shù)臉屑~和咽喉地段，為道路生命線工程的重要組成部分。對山區(qū)大跨度公路橋梁設(shè)計(jì)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，在橋型的比選上有相當(dāng)?shù)碾y度和復(fù)雜性，而橋梁的設(shè)置是否合理，橋梁設(shè)計(jì)方案是否合理，直接影響整條路線的工程造價(jià)及使用功能。因此在設(shè)計(jì)中必須協(xié)調(diào)好橋梁各細(xì)部構(gòu)造與地形、地質(zhì)之間的關(guān)系。以下針對山區(qū)大跨度橋梁的特點(diǎn)，探討山區(qū)大跨度橋梁設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，對大跨度公路橋梁進(jìn)行正確的抗震分析，對于提高其抗震能力，特別是抗大震的能力是至關(guān)重要的。目前，國內(nèi)外進(jìn)展迅速的橋梁建設(shè)已對大跨度公路橋梁的抗震分析提出了更高的要求，與之相應(yīng)的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析理論研究也呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)。對于大跨度公路橋梁而言，在強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)的非線性性能、地震波傳播過程中的多點(diǎn)激振效應(yīng)、隔震技術(shù)的動(dòng)力模型及其應(yīng)用研究以及地震反應(yīng)分析軟件研究具有更大的現(xiàn)實(shí)意義。

一、非線性地震反應(yīng)分析

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的非線性可分為材料非線性(又可稱為物理非線性或彈塑性)和幾何非線性兩種，一般情況下結(jié)構(gòu)的幾何非線性可通過考慮所謂的P-△效應(yīng)來進(jìn)行在結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析的計(jì)算理論研究方面，備受關(guān)注的是結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，這不僅是因?yàn)橄鄬τ趲缀畏蔷€性而言，結(jié)構(gòu)的彈塑性性能對于結(jié)構(gòu)的抗震性能影響較大，而且更由于問題的復(fù)雜性。所以國內(nèi)外眾多學(xué)者針對后者開展了大量的研究工作。在大跨度公路橋梁彈塑性地震反應(yīng)分析的力學(xué)模型中，根據(jù)各種構(gòu)件的工作狀態(tài)，將結(jié)構(gòu)簡化為桿系結(jié)構(gòu)是合理的，同時(shí)對計(jì)算而言也是非常經(jīng)濟(jì)的。若按構(gòu)件所處的空間位置可把力學(xué)模型分為平面模型和空間模型兩種。若按模型中所采用的單元應(yīng)力水平的種類來分，又可分為微觀模型(采用應(yīng)力空間)和宏觀模型(采用內(nèi)力空間)兩種。由于微觀模型要求將結(jié)構(gòu)劃分為足夠小的單元，盡管很有效但所需的計(jì)算量較大，只適用較小規(guī)模的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的非線性分析，因此在實(shí)際工作中應(yīng)用的范圍比較有限，所以這里僅按前一種分類方法來加以討論。

在結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析中，構(gòu)件恢復(fù)力模型的確定是基本的步驟而構(gòu)件的恢復(fù)力關(guān)系又集中反映在滯回特性曲線上，基本指標(biāo)有曲線形狀、骨架曲線及其特征參數(shù)、強(qiáng)度、剛度及其退化規(guī)律、滯回耗能機(jī)制、延性和等效滯回阻尼系數(shù)等。國內(nèi)外在這方面已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究并取得了相應(yīng)的研究成果。在平面模型中，根據(jù)所采用的塑性鉸類型可把它分為集中塑性鉸模型和分布塑性鉸模型兩大類。在集中塑性鉸模型中，有代表性的一種是Clough等于1965年提出的雙分量單元模型，該單元模型采用兩根平行桿來模擬構(gòu)件，其中一根用來表示具有屈服特性的彈塑性桿，另一根用來表示完全彈性桿，非彈性變形集中于桿件兩端的集中塑性鉸處，該模型的最大不足是不能考慮構(gòu)件剛度退化。另一種有代表性的是1969年Giber-son提出的單分量模型，它克服了Clough雙分量模型的不足，同時(shí)只用兩個(gè)桿端塑性轉(zhuǎn)角來刻劃桿件的彈塑性性能，而桿件兩端的彈塑性參數(shù)又是相互獨(dú)立的，因此應(yīng)用起來較為簡便。其缺點(diǎn)是基本假設(shè)中有地震過程中反彎點(diǎn)不能移動(dòng)的限制，所以對一些與基本假設(shè)不甚相符的特殊情況其使用的合理性就受到了限制。

二、多點(diǎn)激振效應(yīng)

通常橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析是假定所有橋墩墩底的地震運(yùn)動(dòng)是一致的。而實(shí)際上，由于地震機(jī)制、地震渡的傳播特征、地形地質(zhì)構(gòu)造的不同，使得入射地震在空間和時(shí)間上均是變化的。即使其他條件完全相同，由于地面上的各點(diǎn)到震源的距離不同，它們接收到的地震波必然存在著時(shí)間差(相位差)，由此導(dǎo)致地表的非同步振動(dòng)。這一點(diǎn)已被地震觀測結(jié)果所證實(shí)。因此，多點(diǎn)地震輸入是更合理的地震輸入模式。特別是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ牟ㄩL小于相鄰橋墩的跨度時(shí)，入射到各墩的地震波的相位是不同的，由于在橋長范圍內(nèi)各墩下的基礎(chǔ)類型和周圍的場地條件可能有很大的差別，因此入射到各墩的地震波的波形也可能是不同的。有關(guān)實(shí)際震害表明，入射地震波的相位差可增大橋跨落梁的危險(xiǎn)性。所以就地震波傳播過程中的多點(diǎn)激振效應(yīng)進(jìn)行研究是有很大的實(shí)際意義的。

從概念上看，僅考慮入射地震波的相位變化情況屬于行波效應(yīng)分析問題。若再考慮地震波的波形變化就屬于地震波的多點(diǎn)輸入問題。從計(jì)算方法上看，由于多點(diǎn)地震輸入算法與同步激振的計(jì)算方法不同，因此必須重新推導(dǎo)結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力平衡方程。美國學(xué)者Penzien和Clough于1975年推導(dǎo)了多自由度體系考慮地震波多點(diǎn)輸入時(shí)的動(dòng)力平衡微分方程及求解方法，通過所謂的影響矩陣，實(shí)現(xiàn)了地震波的多點(diǎn)輸入算法。這種方法后來被廣泛應(yīng)用，目前所有考慮地震波多點(diǎn)輸入的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時(shí)程分析算法均以此為基本出發(fā)點(diǎn)。

綜上所述，大跨度公路橋梁的多點(diǎn)激振效應(yīng)分析是一個(gè)比較復(fù)雜的計(jì)算問題，其復(fù)雜性一方面在于計(jì)算方法上面，更重要的是對于不同類型的橋梁結(jié)構(gòu)體系可能有著截然不同的計(jì)算結(jié)果。因此實(shí)際計(jì)算時(shí)只能針對具體的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的分析，不能一概而論。從計(jì)算方法上看，目前有關(guān)研究基本上仍局限于線彈性體系的多點(diǎn)激振效應(yīng)分析，而非線性多點(diǎn)激振效應(yīng)與結(jié)構(gòu)體系非線性地震反應(yīng)分析的力學(xué)模型是密切相關(guān)的。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部構(gòu)造形式的選擇，應(yīng)結(jié)合橋梁具體情況，綜合考慮其受力特點(diǎn)、施工技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)性。簡支空心板結(jié)構(gòu)的橋型，施工方便，施工技術(shù)成熟；但跨徑小，梁高大；由于橋梁跨徑受限制，往往造成跨深溝橋梁高跨比不協(xié)調(diào)，美觀性差；上部構(gòu)造難以與路線小半徑、大超高線形符合，且高墩數(shù)量增加；橋面伸縮縫多，行駛條件差。因而，在山區(qū)大跨度中，該類橋型一般用于地形相對平緩、填土不高的中、小橋上。預(yù)制拼裝多梁式T梁在中等跨徑橋中具有造價(jià)省、施工方便的特點(diǎn)，其造價(jià)低于整體式箱梁，是中等跨徑直梁橋的常用橋型。但對于曲線梁來說，T梁為開口斷面，抗扭及梁體平衡受力能力均較箱梁差，曲梁的彎矩作用對下部產(chǎn)生的不平衡力大。但當(dāng)曲線橋的彎曲程度較小時(shí)，曲線T梁橋采用直梁設(shè)計(jì)，以翼緣板寬度調(diào)整平面線形，可減少曲梁的彎扭作用，在一定程度上可彌補(bǔ)曲線T梁橋受力和施工上的不足。雖然直線設(shè)置的曲線橋仍有部分恒載及活載不平衡影響及曲線變位存在，但較曲線梁小。此外，可以采取加強(qiáng)橫向聯(lián)系的措施，提高結(jié)構(gòu)的整體性。對于大跨徑橋梁，最好采用懸臂澆筑箱梁。但是對于中等跨徑的橋梁，箱梁橋不論采取何種施工方式，費(fèi)用都較高，與預(yù)制拼裝多梁式T梁相比，處于弱勢。

下部結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足上部結(jié)構(gòu)對支撐力的要求，同時(shí)在外形上要做到與上部結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)、布置均勻。橋墩視上部構(gòu)造形式及橋墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或雙薄壁墩等多種形式。柱式墩是目前公路橋梁中廣泛采用的橋墩形式，其自重輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，施工方便、快捷，外觀輕穎美觀。對于連續(xù)剛構(gòu)橋，要注意把握上下部結(jié)構(gòu)的剛度比，減小下部結(jié)構(gòu)的剛度比，減小下部結(jié)構(gòu)的剛度，可減小剛結(jié)點(diǎn)處的負(fù)彎矩，同時(shí)減小橋墩的彎矩，也可減小溫度變化所產(chǎn)生的內(nèi)力。但是橋墩也不可以太柔，否則會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大變形，影響正常使用，并不利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。對于高墩，除了要進(jìn)行承載能力與正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算外，還要著重進(jìn)行穩(wěn)定分析。對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)或連續(xù)剛構(gòu)橋，各墩的穩(wěn)定性受相鄰橋墩的制約影響，應(yīng)取全橋或至少一梁作為分析對象。穩(wěn)定分析的中心問題就是確定構(gòu)件在各種可能的荷載作用和邊界條件約束下的臨界荷載，下面以連續(xù)梁為例進(jìn)行說明。介于梁、墩之間的板式橡膠支座，梁體上的水平力H(車輛制動(dòng)力和溫度影響力等)是通過支座與梁、墩接觸面上摩阻力而傳遞給橋墩的，它不但使墩頂產(chǎn)生水平位移，而且板式橡膠支座也要產(chǎn)生剪切變形。當(dāng)梁體完成水平力的傳遞以后，梁體暫時(shí)處于一種固定狀態(tài)，但由于軸力及墩身自重的影響，墩頂還會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生附加變形，這就使得板式支座由原來傳遞水平力的功能轉(zhuǎn)變?yōu)榈挚苟枕斃^續(xù)變形的功能，支座原來的剪切變形先恢復(fù)到零，逐漸達(dá)到反向的狀態(tài)。

四、結(jié)語

山區(qū)大跨度作為公路工程的一部分，很多方面需要探討。山區(qū)大跨度方案的確定應(yīng)遵循“安全、舒適、經(jīng)濟(jì)、美觀”的原則，只有把握好規(guī)律，抓住側(cè)重點(diǎn)，山區(qū)高速橋梁的布置和設(shè)計(jì)才能準(zhǔn)確無誤。

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作者簡介：姜錫鋼（1979－），浙江衢州交通設(shè)計(jì)有限公司助理工程師，研究方向：橋梁工程；婁燕斌（1982－），浙江衢州交通設(shè)計(jì)有限公司助理工程師，研究方向：路線工程。