山區(qū)重載公路的橋梁設(shè)計(jì)及隔震設(shè)計(jì)分析

駱春雨，張連斌

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

山區(qū)重載公路的橋梁設(shè)計(jì)及隔震設(shè)計(jì)分析

駱春雨，張連斌

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

山區(qū)公路建設(shè)在促進(jìn)山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善山區(qū)居民生活質(zhì)量方面具有重要意義。在實(shí)際施工過程中，由于山區(qū)地理環(huán)境的特殊性，自然災(zāi)害頻發(fā)，以及重載車輛的影響，導(dǎo)致公路壽命不長(zhǎng)，為了延長(zhǎng)公路使用年限，需要做好重載公路橋梁的設(shè)計(jì)工作。基于此，對(duì)山區(qū)重載公路橋梁設(shè)計(jì)及隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

山區(qū)重載公路；橋梁設(shè)計(jì)；隔震設(shè)計(jì)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)多山國(guó)家，山區(qū)面積占我國(guó)國(guó)土總面積超過70%，其主要位于我國(guó)西部，山區(qū)的地形結(jié)構(gòu)和地質(zhì)情況總體較為復(fù)雜，自然災(zāi)害多發(fā)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)成為了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，因此公路建設(shè)速度進(jìn)一步加快，山區(qū)的大量資源也得到機(jī)會(huì)運(yùn)送出來。而為了進(jìn)一步加快山區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，充分發(fā)揮自身的地區(qū)優(yōu)勢(shì)，為東部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更多的能源產(chǎn)品，進(jìn)而為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展給予更大的支持。

1 山區(qū)重載公路橋梁上部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于山區(qū)部位地形地勢(shì)變化較大，在公路建設(shè)過程中橋梁建設(shè)占據(jù)著極為重要的位置，但是絕大多數(shù)橋梁跨度較小，因此在實(shí)際建設(shè)過程中其具有施工快速簡(jiǎn)便、整體造價(jià)較低的特性，在實(shí)際施工過程中完全可以借助預(yù)制化構(gòu)建進(jìn)行施工。

在橋梁的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中必須根據(jù)公路周邊的地形、地質(zhì)以及自然環(huán)境展開綜合性分析。在下文則對(duì)簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土空心板、先簡(jiǎn)后支連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁以及先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁三種不同橋梁建設(shè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，說明其在橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中具有的基本特點(diǎn)。

（1）當(dāng)前的橋梁建設(shè)過程中簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土空心板施工技巧已經(jīng)極為成熟，其實(shí)際施工也較為便捷，而該種施工方式主要應(yīng)用于地勢(shì)較為平緩的地段，實(shí)際填土跨徑不超過15m。在山區(qū)的橋梁建設(shè)過程中往往受到地形的制約使得跨徑和高度比例嚴(yán)重失衡，在影響橋梁美觀性的同時(shí)，極大地增加了橋墩的數(shù)量，使得工程建設(shè)成本極大提升。

（2）橋梁跨徑為20～30m時(shí)則應(yīng)當(dāng)使用先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁施工技術(shù)，該種施工方式具有整體造價(jià)低廉，便捷性高等特性，是當(dāng)前山區(qū)橋梁建設(shè)過程中最為常見的一種橋梁結(jié)構(gòu)。這種跨度的橋梁結(jié)構(gòu)與其它兩種橋梁結(jié)構(gòu)有所不同，其橋形結(jié)構(gòu)較為美觀，受力特性也遠(yuǎn)超于其他橋形結(jié)構(gòu)，橋墩的數(shù)量較為適合，在實(shí)際施工以及后期的養(yǎng)護(hù)過程中投入的費(fèi)用較少。在實(shí)際施工過程中可以通過架橋機(jī)進(jìn)行橋梁安裝，然后直接在已經(jīng)澆筑完成的橋面上進(jìn)行施工，該種方式能夠極大地減少工程建設(shè)對(duì)公路沿線產(chǎn)生的環(huán)境影響。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)超過30m時(shí)，則應(yīng)當(dāng)使用先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁結(jié)構(gòu)。在山區(qū)公路建設(shè)過程中將會(huì)受到路面半徑較小的影響，常常會(huì)出現(xiàn)超高緩和路段，倘若選用混凝土空心板和箱梁組合的結(jié)構(gòu)，則難以準(zhǔn)確掌握橋梁架設(shè)支點(diǎn)的平衡性，常常會(huì)出現(xiàn)橋梁受力失衡和支座脫落的現(xiàn)象[1]。因此在實(shí)際施工過程中必須展開橋梁設(shè)計(jì)的深入研究，準(zhǔn)確了解橋梁建設(shè)過程中的影響性因素，從而保證山區(qū)公路建設(shè)的基本質(zhì)量，見表1。

表1 山區(qū)重載公路橋梁上部的適用梁型統(tǒng)計(jì)表

在設(shè)計(jì)重載公路橋梁路面時(shí)，要對(duì)輪胎荷載進(jìn)行計(jì)算。目前，我國(guó)當(dāng)前的設(shè)計(jì)規(guī)范主要使用圓中心距、雙輪雙圓等于三倍的接地半徑、接地壓力為0.7MPa的標(biāo)準(zhǔn)荷載圖。此計(jì)算荷載圖只可以用來對(duì)正常荷載情況下的車輛進(jìn)行表述，無法代表重載車輛對(duì)路面造成的影響。研究證明，使用下述公式軸載計(jì)算方法更適用于山區(qū)重載公路，可以體現(xiàn)出軸重增加的情況下，輪胎接地面積和輪胎壓力的變化規(guī)律。力學(xué)圖式見圖1。

圖1 按比利時(shí)式得p

式中：A是指輪胎接地面積，cm2；P指的是單個(gè)輪胎的荷載，N。

2 山區(qū)重載公路橋梁下部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在橋梁的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中必須滿足上部結(jié)構(gòu)的受力需求，同時(shí)保證橋梁外形結(jié)構(gòu)上下的協(xié)調(diào)。下文主要通過橋墩、基礎(chǔ)以及橋臺(tái)形式對(duì)橋梁的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1 橋墩結(jié)構(gòu)的選擇

通常情況下，橋梁跨度超過20m時(shí)橋墩高度通常不會(huì)超過15m，倘若橋梁跨徑超過25m則應(yīng)當(dāng)保證橋墩高度為12～20m，跨徑為30m的橋梁橋墩高度則應(yīng)當(dāng)為18～30m，倘若橋梁跨徑為40m時(shí)則應(yīng)當(dāng)保證橋墩高度為24～40m。在山區(qū)建設(shè)的橋梁中橋墩主要分為兩種，即柱式墩和空心墩。在山區(qū)公路建設(shè)過程中大量使用的柱式橋墩自身重量較輕，外觀輕盈，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，施工較為簡(jiǎn)單，而該種橋墩結(jié)構(gòu)能夠適用于不同類型的橋梁建設(shè)，具有極強(qiáng)的靈活性。另外，由于山區(qū)公路橋梁跨越大量深溝山谷，往往會(huì)和溪水河流交錯(cuò)進(jìn)行，因此倘若使用柱式橋墩將會(huì)極大減少對(duì)溪水河流的水流的干擾，保持公路沿線的原有環(huán)境特色，因此在較為干旱的西北部地區(qū)使用該種橋墩最為合適。而另一種橋墩結(jié)構(gòu)空心薄壁墩比柱式墩美觀性更強(qiáng)，但是實(shí)際施工的復(fù)雜性大大提升，因此在山區(qū)公路建設(shè)過程中使用較少。倘若在實(shí)際施工過程中存在坡度較為陡峭的地勢(shì)則可以有效發(fā)揮空心薄壁墩的基本優(yōu)勢(shì)，只需要建設(shè)一個(gè)支架和一套模板便可以完成施工。

2.2 基礎(chǔ)建設(shè)方式的選擇

在山區(qū)進(jìn)行公路建設(shè)時(shí)地質(zhì)條件基本都能夠滿足橋梁建設(shè)的基本要求，但是在部分地質(zhì)條件較差的地段，則應(yīng)當(dāng)綜合考慮地質(zhì)條件、工程造價(jià)以及對(duì)環(huán)境影響等多種因素，選擇適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)建造方式。通常來說，當(dāng)?shù)孛嫫露容^小、巖層埋深較淺時(shí)，易采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)匦谓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、巖層埋深較深時(shí)，易采用灌注樁基礎(chǔ)。

2.3 橋臺(tái)形式的選擇

在進(jìn)行山區(qū)公路建設(shè)過程中通常會(huì)采用重力式U型臺(tái)，肋板式橋臺(tái)以及樁柱式橋臺(tái)等幾種形式。其中重力式U型臺(tái)對(duì)于施工當(dāng)?shù)氐牡鼗休d能力要求極高，所需要的混凝土澆筑量極大，而臺(tái)前不存在溜坡，有效減少了橋孔的基本數(shù)量。而使用范圍較廣的肋板式橋臺(tái)要求橋梁高度不能超過12m，因此在實(shí)際使用過程中受到了極大地限制[2]。樁柱式橋臺(tái)推抗強(qiáng)度較小，當(dāng)聯(lián)長(zhǎng)長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)其適用性將會(huì)大大降低，因此通常要求臺(tái)后填土的高度不超過5m，聯(lián)長(zhǎng)不應(yīng)當(dāng)超過150m。而因?yàn)樯絽^(qū)地形縱向坡度較大，通常不可以使用錐坡，因此在使用樁柱式和肋板臺(tái)時(shí)會(huì)受到較大限制。

3 重載公路橋梁的隔震設(shè)計(jì)

3.1 山區(qū)橋重在載公路橋梁隔震設(shè)計(jì)的基本原理

隔震是利用隔震體系，設(shè)法阻止地震能量進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)。山區(qū)橋梁隔震設(shè)計(jì)的最終目的在于降低地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響作用，增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的柔韌性，弱化橋梁不同構(gòu)造之間的水平關(guān)聯(lián)，最終在地震來臨時(shí)減少地震對(duì)橋梁的損害作用。橋梁設(shè)計(jì)中的阻尼作用見圖2，該種結(jié)構(gòu)能夠最大限度的消耗地震產(chǎn)生的能量，提升橋梁穩(wěn)固性。而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中借助相關(guān)知識(shí)進(jìn)行綜合性考量，保證所有部件都能夠形成較強(qiáng)的可塑性和彈性，最終通過精細(xì)計(jì)算和設(shè)計(jì)保證橋梁具有較強(qiáng)的隔震性能。

3.2 隔震裝置的選擇

當(dāng)前來說，我國(guó)的橋梁隔震裝置主要包括以下幾種：隔震支座、阻尼器、柔性橋墩以及隔震支座等。其中鉛芯橡膠支座的隔震效果最為明顯。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)橋梁橋墩的實(shí)際高度進(jìn)行橋墩水平高度的計(jì)算，然后選擇適合的隔震支座。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，倘若橋墩剛度過大則會(huì)優(yōu)先對(duì)其形成剪切破壞，因此在進(jìn)行橋墩選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)盡可能選擇柔性較強(qiáng)的橋墩，盡可能減少橋墩的直徑。而在實(shí)際的橋墩設(shè)計(jì)過程中必須以減隔震設(shè)計(jì)為主，延性設(shè)計(jì)為輔，有效避免橋墩早于隔震支座出現(xiàn)屈服，見圖3、圖4。

圖2 阻尼示意圖

圖3 鉛芯橡膠支座基本構(gòu)造

圖4 鉛芯橡膠支座的滯回曲線

3.3 強(qiáng)化橋梁隔震過程中附屬構(gòu)造的基本作用

在橋梁隔震設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)橋梁裝置、限位裝置的深入分析發(fā)現(xiàn)，大量附屬結(jié)構(gòu)將會(huì)對(duì)橋梁的隔震作用產(chǎn)生較大影響，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)附屬結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)橋梁的抗震能力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，同時(shí)保證橋梁附屬結(jié)構(gòu)能夠和橋梁形成整體，最終保證橋梁建設(shè)的基本質(zhì)量。

3.4 隔震計(jì)算方式的選擇

在橋梁隔震設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)選擇適合的計(jì)算方法。目前國(guó)際上橋梁抗震計(jì)算主要有三種方法。

靜力法：把結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的動(dòng)力反應(yīng)看作是靜力反應(yīng)，忽略了地面運(yùn)動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，具有局限性，目前很少采用。

反應(yīng)譜法：能夠反映地面運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的相互作用，適用線彈性結(jié)構(gòu)體系，無法準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)非線性狀態(tài)下的地震反應(yīng)，適用于山區(qū)公路中小跨度橋梁抗震計(jì)算。

時(shí)程分析法：可以精確地考慮地基和結(jié)構(gòu)的相互作用、各種非線性因素以及分塊阻尼等問題，適用于山區(qū)公路大跨度橋梁抗震計(jì)算。

4 結(jié) 語

總而言之，在進(jìn)行山區(qū)重載公路設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)公路的具體情況選用合理的結(jié)構(gòu)。為了保證公路橋梁的抗震性、可靠性和安全性，還需要做好隔震設(shè)計(jì)工作，調(diào)整橋臺(tái)和橋墩的水平分配情況，降低地震對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響，延長(zhǎng)山區(qū)公路橋梁的使用壽命。

[1]劉延芳,葉愛軍.減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].世界地震工程,2008,24(2)：131-137.

[2]聶肅非.連續(xù)梁橋橡膠鉛芯隔震支座力學(xué)研究及應(yīng)用[D].湖北武漢：華中科技大學(xué),2010.

[3]楊德喜.RB隔震連續(xù)梁橋若干問題研究[D].湖北武漢：華中科技大學(xué),2006.

U442

：A

：1009-7716（2017）02-0086-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.025

2016-11-01

駱春雨（1980-），男，天津人，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。