基于公路橋梁結構抗震設計要點分析

謝成陽，尹 銳

（貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司成都分公司，四川成都 610037）

0 引言

改革開放幾十年以來，我國社會經(jīng)濟取得快速發(fā)展，交通設施作為重要的基礎設施是我國建設的重點內(nèi)容之一[1]。隨著經(jīng)濟增長速度的不斷加快，我國每年都需要建設大量的公路橋梁，以方便人們的出行。但與此同時，近年來我國很多地方都發(fā)生了不同等級的地震，對公路橋梁基礎設施造成不同程度的破壞，影響著公路橋梁的安全穩(wěn)定運行，對其構成一定威脅[2]。隨著人們生活質(zhì)量的不斷提升，對交通設施質(zhì)量的要求越來越高，為了順應人們的安全出行要求，現(xiàn)在都要求對公路橋梁進行抗震設計[3]。設計時需要充分結合實際情況，利用科學的方法進行抗震設計計算，才能最大限度提升公路橋梁結構的抗震效果，為交通設施的可靠運行奠定堅實的基礎。本文主要以某工程橋梁結構抗震設計過程為案例，結合筆者實踐經(jīng)驗闡述抗震設計中需要重點關注的事項和問題。

1 工程基本情況概述

1.1 工程概況

某公路橋梁工程項目處在地震帶中，有發(fā)生地震災害的概率。該公路屬于城市快速路，需要根據(jù)一級公路標準進行設計，使用年限為100年。擬采用鋼筋混凝土結構進行施工?；谇捌诳辈榻Y果進行設計，橋梁整體長度為285m，橋面寬度在9～13m范圍內(nèi)變化。主梁結構基于預應力混凝土連續(xù)剛構進行建設，主梁的截面為箱型結構，跨徑方面采用的組合形式為30m+50m+30m。對公路橋梁結構進行抗震設計是一項非常復雜的工程項目，涉及很多方面的專業(yè)知識和內(nèi)容。尤其是橋梁的跨度相對較大，不同橋墩由于結構上的差異，導致其剛度也不同。這給計算過程帶來了一定的難度。具體計算時需要以最壞的地震工況條件進行設計，這樣才能夠確保公路橋梁的運行可靠性與安全性。

1.2 計算結構的選取

（1）計算方法選擇。為了提升橋梁結構的抗震性能，不同位置的墩柱采用不同的結構形式。其中，中間部位的墩柱使用固定支座，兩側部位的墩柱使用單向或者雙向支座，橋梁上部結構采用預應力混凝土連續(xù)剛構采用這種設計的優(yōu)勢在于，一旦該地區(qū)發(fā)生地震時，沿著橋梁方向的地震力可以通過固定支座支撐，垂直于橋梁方向的地震力可以通過所有的支座來承擔。基于此，需要利用《公路橋梁抗震設計細則》中相關的條款，對公路橋梁結構在順著橋梁方向和垂直橋梁方向上的抗震性能進行分析計算。上述文件中對公路橋梁抗震設計提出基本的原則，即對于普通的公路橋梁結構而言，應該確保小震無礙、中震可修、大震不倒。根據(jù)以上原則，在進行抗震設計時，可以從三個方面著手進行設計，分別為橋梁結構地址的選擇、橋梁結構材料延展性、整體橋梁結構的穩(wěn)定性。

（2）地震參數(shù)。設計時假設地震為4度基本烈度，地震過程中產(chǎn)生的加速度峰值為0.4G，反應譜特征周期為0.64s，橋梁結構的重要性系數(shù)規(guī)定為1.1。

（3）結構單元選取。對橋梁結構進行抗震性設計時，需要將其劃分成為不同單元，針對每個單元進行分析計算。結構單元的劃分方法有很多種類型，劃分方法不同則會對計算過程和結果產(chǎn)生一定程度的影響。通常情況下大型橋梁可以將伸縮縫作為劃分單元的依據(jù)，即兩條伸縮縫中間的結構作為一個結構單元進行計算。表1為本橋梁劃分的代表性結構計算單元。

表1 公路橋梁抗震設計時劃分的主要結構單元

單元長度、橋梁整體寬度以及墩柱高度等都會對抗震計算過程和結果產(chǎn)生非常重要的影響，在劃分結構單元時需要充分考慮這些因素。由于抗震設計影響因素較多，所以需要明確主要因素和次要因素。首先根據(jù)主要因素對橋梁支撐墩柱尺寸進行設計計算，在此基礎上再考慮其他次要因素，明確墩柱橫截面的尺寸。為了確保橋梁整體結構和支承墩柱之間的協(xié)調(diào)性，在開展設計計算時將橋梁寬度視為基礎信息參與計算。

2 橋梁結構的抗震設計要點分析

2.1 樁基礎和墩柱設計要點

（1）樁基礎的設計要點。對于整個橋梁工程而言，樁基礎是非常重要和關鍵的環(huán)節(jié)。因此在進行抗震設計時需要綜合考慮多方面因素，在所有因素中最關鍵的因素是極限彎矩值和剪力值。根據(jù)極限彎矩值可以計算得到樁基礎需要的配筋方式及其數(shù)量，根據(jù)極限剪力值可以計算得樁基礎的極限高度大小，根據(jù)樁基礎之間的距離、總的基礎數(shù)量以及橋梁寬度可以計算得到單個樁基礎需要承受的作用力。本研究在確定橋梁結構時采用假設法，首先假設橋梁寬度，根據(jù)該數(shù)值進行抗震結構設計，明確樁基礎的結構形式。計算結果發(fā)現(xiàn)，當橋梁寬度為17m時，需要采用群樁方式進行施工，其中群樁數(shù)量至少為三個以上，當橋梁寬度為9m或者13m時，可以采用雙樁結構方式進行施工，這樣才能確保樁基礎達到要求的抗震等級。

（2）墩柱的設計要點。單個墩柱在正常工作時下部區(qū)域可能會存在塑性剪切的現(xiàn)象。根據(jù)假設的地震烈度等級可以計算出墩柱需要的配筋形式及其數(shù)量。根據(jù)沿著橋梁方向和垂直橋梁方向需要的極限彎曲值，可以計算得到墩柱使用的混凝土結構強度、墩柱的軸向力以及超強系數(shù)。在以上綜合分析的基礎上明確墩柱的直徑大小及其組合形式。在完成墩柱的設計工作后，還需要再對樁基礎以及整個橋梁結構進行驗算，確保都達到抗震等級要求。

2.2 其他環(huán)節(jié)抗震設計要點分析

（1）墩柱截面形狀選擇。墩柱截面如果太大，則會增加其自身重量，影響整體結構的穩(wěn)定性，為了提升抗震的等級，樁基礎對應也需要增加其截面形狀。如果墩柱截面積相對過小，導致其剛度無法達到抗震基本需要，則會影響橋梁的抗震等級，因此需要結合實際情況合理控制墩柱截面大小。

（2）通常情況下，對于固定支座墩，盡量不選用矮墩結構。因為矮墩結構的剛性相對較好而柔性相對較差，一旦發(fā)生地震時會影響橋梁結構整體的抗震性能。橋柱中間以及邊梁的兩側應該預留一定的間隙，一方面防止橋梁整體熱脹冷縮造成擠壓，另一方面避免地震時產(chǎn)生落梁的問題。

（3）為了避免地震過程中，橋梁整體發(fā)生橫向移動問題，需要在橋墩上部位置設置限位塊，其中限位塊可以直接利用鋼筋混凝土材料進行澆筑。梁段和橋臺背墻中間可以設置橡膠塊，這樣在發(fā)生地震時，橡膠塊可以起到很好的緩沖作用，降低橋梁結構的振動幅度。本工程案例中，墩柱上方的盆式支座同樣采用的是橡膠材料，這種類型的支座稱為隔振支座。作用同樣是起到緩沖的效果，減少橋梁振動幅度。

3 公路橋梁抗震設計注意事項

（1）橋梁在設計時盡量保持橫平豎直，特別是橋梁軸線應該保持直線。主要是因為橋梁軸線如果出現(xiàn)彎曲情況，則會降低其整體結構的強度和鋼度。橋臺與橋軸線、橋墩之間需要保持嚴格垂直，如果存在斜交現(xiàn)象，那么地震時會產(chǎn)生明顯的轉動效益，進而影響橋梁的性能。另外，盡量保持橋梁路面的連續(xù)性，不要出現(xiàn)斷層的現(xiàn)象。

（2）在橋梁選址方面需要特別謹慎，確定地址之前需要系統(tǒng)全面勘查相關區(qū)域的地質(zhì)情況。不得在沙土或者軟土區(qū)域建設橋梁結構，盡量選擇在巖石或者具有很好沖擊性能的土地上建設橋梁結構。如果橋梁附近區(qū)域土地性質(zhì)較為軟弱，一旦發(fā)生地震時，地基就會發(fā)生沉降，必然會影響橋梁結構的可靠性，使橋梁結構整體沉降。設計時還要確保沿著橋梁方向和垂直于橋梁方向，兩個方向上橋梁結構的剛度相同，如果兩個方向上的剛度存在比較大的差異，則地震時會導致剛度較差的方向發(fā)生明顯損傷。

（3）通常情況下橋梁墩柱之間的距離越小，則橋梁結構整體的抗震性能越好。所以在抗震設計時應該盡可能縮小兩個墩柱之間的距離，減小跨徑。墩柱之間的距離越小則分布到每個墩柱中的軸向力相對更小，可以減小每個墩柱的彈性變形量。在材料選擇方面，應該盡可能選用能夠承受更大變形量的材料，這種類型的材料在發(fā)生較大變形時也不會出現(xiàn)裂紋的問題。另外，在抗震設計中不可以使用靜定結構，而應該使用超靜定結構。

4 結語

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，近年來我國建設了大量的公路。橋梁結構是公路中的重要構成部分，其性能好壞對公路工程項目質(zhì)量有決定性的影響。為了提升公路橋梁結構運行的可靠性和穩(wěn)定性，在設計時抗震設計是其中非常重要的內(nèi)容。公路橋梁結構的抗震設計涉及方方面面的內(nèi)容，從橋梁建設地址的選擇、施工材料的選擇、整體結構的設計等等，都需要嚴格設計控制，只有這樣才能提升橋梁結構的抗震性能，保障橋梁運行的可靠性和穩(wěn)定性。