裝配式橋墩發(fā)展及其抗震性能研究

李志斌 閆 夢

（浙江中路交通設計有限公司，浙江 嘉興 314000）

隨著我國經濟發(fā)展，人們出行頻率越來越高，交通量大幅度增加，為了緩解交通壓力，促進各區(qū)域之間的聯(lián)系，在城市中以及各地區(qū)之間建立了大量交通設施，而橋梁在其中也發(fā)揮了重要的作用。隨著預制拼裝技術不斷成熟，這種技術被大量運用于橋梁的建設中，使得裝配式的橋墩取得了很大的進展。我國屬于地震頻發(fā)的國家，我國大多省份都曾發(fā)生過六級以上的地震，地震的震源淺、分布廣、烈度高、傷亡大，具有突發(fā)性以及很強的毀滅性，會給人們生命財產安全帶來巨大損失。橋梁是交通的關鍵部分，一旦被破壞，很難被修復，不但加重災害的程度，而且會給抗震救災工作帶來巨大困難。因此要十分注重橋梁震害產生的原因分析以及抗震設計的研究，有效減少地震對橋梁造成的不利影響。

1 裝配式橋墩的發(fā)展與應用

隨著預制拼裝技術的發(fā)展，橋梁中越來越多的運用到了這項技術。節(jié)段拼裝的相關技術主要運用在橋梁的上部結構建造上，隨著技術越來越成熟，在下部結構中也有所應用，并在朝著不斷增多的趨勢發(fā)展。歐美日等發(fā)達國家在20世紀60年代已經在橋梁的下部結構中運用到了預制拼裝技術。在20世紀中期，我國也開始嘗試使用裝配式的橋墩。在青藏線的希格工段建設有326座裝配式的橋墩，其接頭十分牢固，結構也十分安全，在剛度、強度以及穩(wěn)定性方面都滿足了通車運營的需求。成昆線連接了我國四川省與云南省，地震頻發(fā)，對于橋墩的要求較高，在該鐵路線的張家村大橋、和平村大橋以及牛日河4號大橋都采用了拼裝式的橋墩。隨著交通量的增加，在運輸方面對交通路線的承載力以及運行速度有了更高的要求，那些初期建好的裝配式橋墩已經逐漸不能夠滿足當代運輸?shù)囊?，而且產生了一定的安全隱患，所以要對其進行重新設計，提高運輸線路的性能以及使用壽命，滿足當前運輸?shù)囊?。拼裝式的橋墩除了運用在鐵路運輸中，在公路運輸中也有著很多的應用。比如，著名的杭州灣大橋、東海大橋、長江大橋以及在2018年正式通車運營的港珠澳大橋等都運用了拼裝式的橋墩。對與大尺寸的多柱式橋墩在橋梁的建設中也有了比較多的應用，結合了雙柱式和單柱式橋墩的一些優(yōu)點，給橋梁的建設提供了更多的方案。拼裝式的橋墩，大大提高了橋梁建設的效率，縮短了建設的周期，為早日投入運營提供了條件。

2 橋梁抗震性能研究的現(xiàn)狀

目前國內主要對單柱式的拼裝橋墩的抗震性能研究比較多，對于雙柱式的橋墩的抗震能力還沒有比較系統(tǒng)的研究。

2.1 單柱式拼裝橋墩的研究

預制橋梁結構在20世紀中葉在歐洲開始使用，目前已經在全世界的橋梁建造中得到了普及。但是目前國內的橋梁建造仍然使用的是現(xiàn)澆法，預制拼裝的施工較少。為了適應現(xiàn)代交通的發(fā)展需要，工程建設越來越需要拼裝式的橋墩建設方案。國內外的教授、學者、工程師都對單柱式的橋墩進行了相應的研究，并取得了很好的成果。在研究中發(fā)現(xiàn)，擬靜力試驗還存在著諸多不足，需要增加更多的振動臺試驗來完善實驗數(shù)據(jù)，以便進行更深層次的研究。在單柱式橋墩的振動臺試驗中也有很多需要進行改進之處。

2.2 雙柱式拼裝橋墩的研究

我國從20世紀對雙柱式的拼裝橋墩也在進行不斷的研究，隨著計算機技術的應用以及實驗的條件也有了很大的改善，給雙柱式的拼裝橋墩的研究帶來了新的契機。通過建立更加精確的模型，使之與實際情況更加吻合，對于研究各構件之間的連接方法以及抗震行為提供了更多、更精確的參數(shù)。但是，隨著交通發(fā)展的要求，目前的科研成果相對來說仍然不能夠滿足時代發(fā)展的需求。

3 基于性能的橋梁設計方法

任何橋梁設計都要基于橋梁的性能來進行設計，這也是未來進行橋梁抗震設計的基本方向，目的是為了使橋梁在投入運營的過程中，可以抵抗不同強度的地震，保持橋體的完整性與可靠性，能夠對橋梁結構的一系列破壞狀態(tài)進行有效控制，使橋梁的結構能夠表現(xiàn)出超強的性能水平。使整個橋梁在服役期限內，有效的應對可能發(fā)生的地震破壞。在相關的道路橋梁建設的規(guī)則里雖然有一些對于抗震設計的思想，但是對于這些準則沒有進行量化，規(guī)定的不夠明確，在實際的建設中很難有效進行控制。面對這種問題，我國的橋梁設計與建設者、研究者都要不斷創(chuàng)新，改變落后的橋梁施工技術，大力研究拼裝式的橋梁建設，基于性能對拼裝式的橋墩進行研究以及設計，將好的研究成果充分運用到實際建設中來。

4 目前研究的不足之處

目前我國北京、上海、武漢、重慶的各大城市已經將裝配式的橋墩技術重視起來，并且不斷在進行運用以及嘗試，雖然已經有了不少的拼裝式橋墩的實踐成果，但是在抗震性的研究方面仍然有不足之處。主要表現(xiàn)在：第一，應用在實際建設中的雙柱式橋墩的建設方案中，對于如何使用預制拼裝的方式來設計、施工仍然沒有比較成熟的方案以及施工規(guī)則，對于如何保障雙柱橋墩的抗震性沒有有效的措施；第二，對于雙柱橋墩的不同構造措施下的抗震理論分析不足，試驗研究并不充分，比如有黏結的預應力筋、無黏結的預應力筋、干接縫、濕接縫、鉸接縫等；第三，如何才能夠更加便于施工、改善各種構件的抗震性能、裝配橋墩的耐久性能以及施工更加節(jié)約資源等都沒有進行充分的研究以及驗證；第四，對于雙柱式的拼裝橋墩在預應力砼橋梁結構體系中的抗震性能以及容易受損的部位、破壞模式等由于缺乏相應的參考資料，對這些內容的研究還處于空白的狀態(tài)。作為比較基礎的一項研究，這些研究成果對于提高我國拼裝式橋梁的抗震性能有著重要的作用，并且對于我國建設大型的跨海橋梁、城市高架橋以及在其他一些建設環(huán)境惡劣的地方建設橋梁都有著很強的指導作用。

5 未來研究的方向

隨著科學技術的進步，為橋梁的建設提供了很好的技術基礎，突破了以往由于計算方法、實驗手段等的限制，改變了以往只能夠通過對靜力進行研究的方法，采用動力和靜力相結合的方法，使研究成果能夠很好地反映橋墩的高階振型以及橋墩的質量影響，使研究成果能夠直接用于橋墩抗震設計中。

5.1 研究并提出雙柱式拼裝橋墩的構造體系

在此體系中要對橋墩的構造進行詳盡的表述，滿足橋梁建設施工的要求。對于拼接所產生的接縫要滿足橋梁的長期使用，具有較好的耐久性，另外，還要保證其具有經濟性，能夠節(jié)約建設的成本，在制作與安裝方面要便于施工。在地震頻發(fā)的地帶，要保證橋墩能夠有強大的靜力承受能力，也要有較強的滯回曲線的性能。在進行該方面的研究時，要廣泛的采取各施工設計單位的相關意見，對橋墩預制拼裝的難易程度有準確的了解，最終制定符合實際的施工流程以及施工工藝。

5.2 開展對裝配式橋墩的擬靜力以及振動臺的試驗研究

針對工程師推薦的相關方案，建立縮小尺寸的混凝土模型，通過對該模型進行縱橋向擬靜力試驗和橫橋向擬靜力試驗，研究橋墩在遭受破壞時的特點。運用振動臺的試驗方法對模型進行研究，研究在地震情況下，拼裝式橋墩被損壞的全部過程，研究在地震中，橋墩的極限位移、極限荷載以及整體的側向剛度其衰減的規(guī)律如何。

5.3 對雙柱式的裝配橋墩進行數(shù)值模型分析

在進行分析模型時，一般會對纖維模型、有限元模型以及集中塑性鉸模型等模型進行分析。通過構建橋梁實體有限元的相應模型研究裝配式橋墩在接縫處的混凝土的受力特點以及接縫處由于振動產生的碰撞行為特點，發(fā)現(xiàn)接縫處的碰撞對于節(jié)段式的橋墩的抗震性有什么影響，以及其規(guī)律是什么。對纖維模型的研究可以得出地震響應非線性時程。集中塑性鉸模型可以對實用的設計方法進行研究，并且能夠簡化非線性地震的反應分析。

5.4 研究基于橋梁性能的裝配式橋墩設計方法

通過分析模型之后得出有效的實驗結果，通過分析各種參數(shù)以及規(guī)律，提高裝配式橋墩的性能，進而提高整個橋梁的性能以及使用壽命。在分析的過程中研究增量動力對于橋墩結構的易損性有何影響，分析出使用裝配式橋墩的橋梁在地震中容易受損的部位以及損傷的水平，由此來判定橋梁各部分構件以及橋梁整體結構的抗震標準和需要達到的性能目標，給予橋梁的性能設計建造抗震性更強，更符合交通需要的橋梁。

6 結語

綜上所述，橋梁是交通運輸?shù)纳€，裝配式橋墩的抗震性能與橋梁整體的質量和使用壽命息息相關，而且我國在此方面的研究還存在著很多的不足，不足以指導橋梁的施工建造，所以我國的專家學者一定要加強對此方面的研究，為我國的橋梁建設提供更加科學的依據(jù)，不斷促進我國交通事業(yè)的發(fā)展。