中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)理念及方法

鐘佩軒

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高，對(duì)于道路交通等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不斷完善，公路橋梁工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)和施工建設(shè)中，需要前期做好設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高工程施工的安全性和可靠性。中小跨徑公路橋梁在實(shí)施應(yīng)用中，由于跨度范圍有限，更加容易受到地震的破壞，結(jié)合汶川地震公路橋梁等基礎(chǔ)工程設(shè)施的破壞程度來看，沒有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的中小跨徑公路橋梁在遭受地震災(zāi)害時(shí)，結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，因地震造成的公路橋梁裂縫、變形等問題，嚴(yán)重影響其后期使用。關(guān)于中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)的理念、原則，以及有效的技術(shù)、方法等，均需要從工程實(shí)踐的角度展開綜合化的研究與探討[1]。

1 中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)要求

在中小跨徑公路橋梁設(shè)計(jì)中，要重點(diǎn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，地震對(duì)公路橋梁工程的破壞性大，嚴(yán)重影響其工程穩(wěn)定性和使用安全性。一些中小跨徑公路橋梁在設(shè)計(jì)中沒有考慮到抗震設(shè)計(jì)，在地震災(zāi)害中，出現(xiàn)的破碎、裂紋、裂縫以及變形問題極為嚴(yán)重，給行人以及車輛造成安全威脅。作為國家建設(shè)和城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，公路橋梁工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、抗震要求以及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行綜合性的研究，結(jié)合中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)的理念和技術(shù)、方法等，提高中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)水平，保證公路橋梁工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，消除其抗震隱患，延長使用壽命。研究中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，對(duì)于維護(hù)人們的出行安全、奠定經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)等具有重要的影響作用。因此要求中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中要選用適用的設(shè)計(jì)方法，對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都要保證安全指標(biāo)和工程結(jié)構(gòu)的抗震能力、安全性能[2]。

2 中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)理念

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

中小跨徑公路橋梁在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中，要綜合其工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用要求，對(duì)抗震設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)和目的等予以明確。中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)要遵循“小震不壞”“中震可修”“大震不倒”的設(shè)計(jì)理念，但是這三者之間并沒有統(tǒng)一的界定標(biāo)準(zhǔn)，這就導(dǎo)致中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)缺乏準(zhǔn)確依據(jù)，從而直接影響到工程設(shè)計(jì)的效果。在確定中小跨徑公路橋梁設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，要對(duì)不同水準(zhǔn)和等級(jí)作用下的中小跨徑公路橋梁容易受到地震破壞的部位、程度進(jìn)行分析，對(duì)中小跨徑公路橋梁的承臺(tái)、擋塊、樁基礎(chǔ)、橋墩以及支座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、抗震目標(biāo)分別進(jìn)行分析，確定其在抗震設(shè)計(jì)中的延性指標(biāo)和抗震強(qiáng)度，為整體中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)提供參照依據(jù)。

2.2 傳力部分

我國在中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中，研究基礎(chǔ)是圍繞美國和日本等發(fā)達(dá)國家的設(shè)計(jì)規(guī)范，但同時(shí)也在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)容作適當(dāng)?shù)难由?，形成新的設(shè)計(jì)理念。由于國外的公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和我國的實(shí)際情況并不完全相符，因而抗震設(shè)計(jì)效果方面并不理想，就中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)的傳力途徑和傳力結(jié)構(gòu)分析來看，我國與美國、日本采用的設(shè)計(jì)理念也不同。美國采用的是框架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，日本采用的是鋼支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而我國則是采用板式橡膠支座設(shè)計(jì)，不同的設(shè)計(jì)方法和工程結(jié)構(gòu)安排，對(duì)于中小跨徑公路橋梁抗震效果和性能影響不同。因而，要堅(jiān)持實(shí)事求是和取長補(bǔ)短的原則，更新設(shè)計(jì)理念、完善設(shè)計(jì)內(nèi)容，不斷提高中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)的合理性和適用性[3]。

2.3 地震參數(shù)

對(duì)于中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)地震參數(shù)進(jìn)行合理的劃分。這是因?yàn)樵谖覈牟煌貐^(qū)，地震動(dòng)參數(shù)相對(duì)較低，這就導(dǎo)致在抗震設(shè)計(jì)中沒有考慮到大震情況，使中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)考慮的抗震等級(jí)不夠全面。例如我國的汶川地區(qū)僅僅是屬于中震水平，但是發(fā)生汶川大地震后，大量建筑倒塌、損毀多是因?yàn)樵缙诳拐饏?shù)考慮不當(dāng)[4]。中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)對(duì)于大震情況沒有考慮到，導(dǎo)致中小跨徑公路橋梁抗震性能大大下降，針對(duì)這種情況，要及時(shí)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，對(duì)中小跨徑公路橋梁地震危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合分析，依據(jù)抗震結(jié)構(gòu)、地震烈度等研究內(nèi)容，合理劃分地震參數(shù)，使中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)理念更加先進(jìn)和具有前瞻性。

3 中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

3.1 抗震計(jì)算

中小跨徑公路橋梁工程項(xiàng)目在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般是采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，橋梁的中部墩柱是固定的盆式支座，其他的墩柱則是采用單向盆式支座和雙向盆式支座[5]。在這種一聯(lián)的結(jié)構(gòu)中，中小跨徑公路橋梁同時(shí)受到橫向地震作用力和縱向地震作用力，這兩種作用力都是順橋梁方向的，并且是分別由聯(lián)內(nèi)各橋墩和固定支座橋墩承受的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，可以根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》的內(nèi)容和方法，采用反應(yīng)譜方法，對(duì)中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算公式進(jìn)行簡(jiǎn)化，得出計(jì)算結(jié)果后再復(fù)核。根據(jù)抗震計(jì)算，對(duì)地震參數(shù)予以確定，例如設(shè)計(jì)B類抗震設(shè)防類別，地震烈度為8級(jí)，而場(chǎng)地為Ⅲ類建筑場(chǎng)地，在這種情況下，場(chǎng)地系數(shù)為1.2、地震周期0.55 s，加速度峰值為0.2 g，抗震重要系數(shù)0.43。

3.2 計(jì)算結(jié)構(gòu)

中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)涉及到的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容較多，且在參數(shù)設(shè)計(jì)中，對(duì)抗震計(jì)算的結(jié)構(gòu)部分也要進(jìn)行正確的選取[6]。中小跨徑公路橋梁工程結(jié)構(gòu)中包含的子結(jié)構(gòu)部分較多，橋梁伸縮縫是結(jié)構(gòu)分界點(diǎn)，在抗震計(jì)算中，不需要進(jìn)行全部計(jì)算，僅需要對(duì)其中具有代表性的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行抗震分析、計(jì)算結(jié)果。抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算中，單柱墩作為設(shè)計(jì)分析的主要對(duì)象，根據(jù)計(jì)算公式，支座上部結(jié)構(gòu)受橫向地震作用力影響、頂面受縱向地震作用力影響，據(jù)此可以確定水平位移。在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，還可以根據(jù)彈性樁作用效應(yīng)和水平位移計(jì)算公式，得出橫橋向地震作用和順橋向地震效應(yīng)，綜合永久效應(yīng)，對(duì)橋墩在彈性狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)最后的墩柱縱筋配置需求量予以確定。

3.3 構(gòu)件設(shè)計(jì)

中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中的另一項(xiàng)重要內(nèi)容就是構(gòu)件設(shè)計(jì)。在地震作用中，承受地震作用的是中小跨徑公路橋梁的墩柱和樁基礎(chǔ)，在對(duì)這些主要的構(gòu)件部分進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)要分別進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)證樁基礎(chǔ)強(qiáng)度，根據(jù)E1地震作用計(jì)算中小跨徑公路橋梁配筋率，按照最不利軸力和材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，對(duì)中小跨徑公路橋梁兩個(gè)不同方向的極限彎矩值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)對(duì)應(yīng)的剪力值和軸力值，設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)組合直徑，驗(yàn)算彈性狀態(tài)下的樁基礎(chǔ)承載能力[7]。中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中對(duì)主要構(gòu)件部分的設(shè)計(jì)，要使樁基礎(chǔ)能夠滿足豎向荷載要求和強(qiáng)度要求。同時(shí)，對(duì)E1和E2不同級(jí)別地震作用下中小跨徑公路橋梁延性進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算配筋率，完成對(duì)墩柱塑性鉸區(qū)的箍筋配置，并在此基礎(chǔ)上驗(yàn)算中小跨徑公路橋梁墩柱抗剪強(qiáng)度。

3.4 墩柱截面

中小跨徑公路橋梁的墩柱截面要合理選擇，這是因?yàn)槎罩孛鎸?duì)抗震能力的影響較大，保持墩柱高墩和上部結(jié)構(gòu)一致，可以選擇四個(gè)不同墩柱截面尺寸[8]。在篇幅有限的情況下，根據(jù)中小跨徑公路橋梁的墩高、橋?qū)捯约翱鐝浇Y(jié)構(gòu)可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定，選擇較大的墩柱截面，墩柱的縱向配筋會(huì)增大，彎矩值也會(huì)增加，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，也要相應(yīng)地增加中小跨徑公路橋梁基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸。而選擇較小的中小跨徑公路橋梁墩柱截面時(shí)，由于抗彎強(qiáng)度不夠，因而要通過增加截面配筋率的方法，彌補(bǔ)抗彎不足問題。中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中，要選擇合理的墩柱截面，可以通過假定驗(yàn)算的方法，對(duì)墩柱截面面積大小進(jìn)行計(jì)算，保證最終選擇的截面大小合適。

4 結(jié)語

地震災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)防難度較大，且地震災(zāi)害破壞性極大，給人們生命安全和財(cái)產(chǎn)等造成嚴(yán)重?fù)p失。地震中公路橋梁等工程設(shè)施由于早期抗震設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致?lián)鯄K破碎、結(jié)構(gòu)裂縫以及支座變形問題嚴(yán)重。加強(qiáng)對(duì)中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)理念和方法的研究，對(duì)于提高中小跨徑公路橋梁設(shè)計(jì)水平和工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量等具有重要作用。中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)，要明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，要遵循“小震不壞”和“中震可修”以及“大震不倒”的設(shè)計(jì)理念，這是對(duì)中小跨徑公路橋梁抗震等級(jí)以及抗震能力方面的要求。在中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)的過程中，相關(guān)人員還要搜集更多的調(diào)查資料和研究資料，對(duì)中小跨徑公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行重點(diǎn)分析，保證中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性。綜合運(yùn)用工程學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，在中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中，對(duì)各參數(shù)內(nèi)容予以明確，并對(duì)中小跨徑公路橋梁抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，完成對(duì)中小跨徑公路橋梁主要構(gòu)件部分的設(shè)計(jì)。