公路橋梁結構抗震設計研究

趙繼棟

(青海省交通規(guī)劃設計研究院有限公司 西寧 810008)

引言

在公路橋梁結構設計的過程中，需要注重橋梁結構的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，尤其是在地震區(qū)的橋梁建設，更應注重提高公路橋梁結構的整體性和安全性，避免結構在受到地震作用時，產(chǎn)生較大的破壞，進而引發(fā)安全事故[1]。為此需要針對公路橋梁結構進行合理的抗震設計，保證其在地震發(fā)生后依然能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，降低地震來臨時對公路橋梁安全的影響。

1 工程概況

本次所選工程實例處于地震斷裂帶，橋址處抗震等級相對較高，在進行公路橋梁結構設計過程中，應該針對結構抗震性能進行準確計算，并進行優(yōu)化設計。該項公路工程中的橋梁跨徑相差較大，下部結構各個橋墩之間存在較大的剛度差，因此在橋梁結構的設計過程中，應準確選取抗震參數(shù)，并按照最不利工況進行結構計算和設計，橋梁抗震設計工作具體包含結構設計、抗震措施、抗震計算和抗震設計等內容[2]。

2 選取計算結構

2.1 計算方法

本項工程中進行的抗震設計主要是以公路橋梁結構相關抗震設計規(guī)范為基礎依據(jù)，參考設計細則中的相關條文,對公路橋梁結構橫橋向和順橋向分別進行抗震計算分析,該橋梁上部結構為連續(xù)梁，中間墩柱與上部結構選擇盆式固定支座，剩下的墩柱選擇雙向和單向盆式支座形式進行設計。因此，在橋梁結構受到地震作用時，順橋向的地震力主要集中在固定支座，而橫橋向產(chǎn)生的地震力會分散到各個墩柱上。

2.2 橋址處地震動參數(shù)的選取

該公路橋梁結構設計中的相關地震動參數(shù)如下：場地系數(shù)1.2、地震動反應譜特征周期0.55s、區(qū)劃圖中的特征周期為0.4s、場地類型是Ш類、該橋位處地震峰值加速度為0.2g、地震環(huán)境中抗震重要性系數(shù)為0.43、抗震設防烈度為8度[3]。

2.3 結構選擇

公路橋梁結構抗震計算單位主要是以伸縮縫或結構特點作為分割界限，本次便利用該種方法把橋梁工程劃分為數(shù)個結構。但在抗震設計過程中，無需針對全部單元進行抗震性能分析，充分聯(lián)系實際設計要求，選擇幾個抗震薄弱區(qū)段進行設計即可，所選的單元應該能夠體現(xiàn)橋梁真實的受力狀況。如表1為本項目公路橋梁結構設計中的抗震性能控制計算單元。

表1 抗震設計控制計算單元

劃分單元時，需要重點結合橋梁的墩高、最大跨徑、橋梁全長、橋梁寬度等進行綜合考慮。因為在橋梁的實際抗震設計中，上述幾種因素都會影響質量及剛度，進而對橋梁的抗震性能產(chǎn)生影響。因此，在實際抗震計算及設計中，為了使整個計算過程得以簡化，可以選擇其中影響最大的因素進行考量，明確橋梁墩柱實際尺寸，并將其作為基礎參考，聯(lián)系其他因素，對墩柱橫截面進行設計。為了提高橋梁上部結構和墩柱整體協(xié)調性，本項工程項目中主要將橋寬度當成基礎依據(jù)，在橋寬一定的情況下，最大聯(lián)長決定了順橋向的最大地震作用力，最大橋梁跨徑?jīng)Q定了橫橋向的最大地震作用力。

3 結構抗震設計

在研究公路橋梁結構抗震性能的過程中，可以將下部結構單獨作為研究對象，運用反應譜法相關計算公式，對具體參數(shù)實施準確計算。通過抗震計算，得出順橋向支座處的地震作用力以及橫橋向對于橋梁上部結構所產(chǎn)生的地震作用力。然后根據(jù)具體計算，得到相應地震力條件下橋梁整體水平位移和基礎頂面所產(chǎn)生的水平位移。并通過相應的計算，得到順橋向與橫橋向的包含地震效益的組合效應，進而根據(jù)橋梁受壓部件在相應的規(guī)范下強度，對橋梁墩柱的縱筋配置進行設計[4]。公路橋梁結構下部結構設計中，通常選擇在地質情況較好的位置作為地基基礎，針對下部橋臺結構需要盡量選擇T型結構或U型結構，如此能夠促進公路橋梁結構整體穩(wěn)定性的有效提升。如果橋址處施工條件比較好，還可以通過選擇重力式橋臺，該種橋臺形式抗震能力與其他形式橋臺相比，抗震性能更為突出，且施工成本相對較低，施工流程便捷，工程經(jīng)濟效益良好。上下部連接構件也是地震作用時整個公路橋梁結構內最容易被破壞的部位，因此需要加強該部分的強度設計。伸縮縫和支座都屬于連接構件，若選擇伸縮縫形式，應該提升伸縮縫變形能力，以免在地震過程中破壞。

4 樁基礎與墩柱設計

橋墩墩柱底部截面存在塑性鉸區(qū)域，結合地震所產(chǎn)生的作用力并通過順橋向和橫橋向所形成的極限彎曲值，能夠對墩柱配筋進行準確計算，其中需要重點關注的是構件的最不利軸力以及材料強度等[5]。將軸力值、剪力和極限彎曲值進行相應組合，可以得到最不利效應組合，在該最不利受力狀態(tài)下，要求使樁基礎始終維持彈性狀態(tài)，并且還應該根據(jù)相應的設計規(guī)范計算樁基承載能力，確定合理樁徑、樁長以及配筋率，確保樁的承受能力控制在安全范圍內[6]。

對樁基礎的設計過程中，應該綜合考慮各種因素。其中最為重要的是極限彎矩值，通過極限彎矩值能夠進一步確定樁基礎尺寸和配筋數(shù)量，同時還可以根據(jù)相應的剪力值對樁基的有效長度進行計算。針對樁頂軸力值進行設計計算過程中，需綜合考慮跨徑、孔數(shù)以及橋梁寬度、樁徑等因素。在本次設計過程中，選擇較為簡單的方式進行計算，通過關鍵因素假定法實施計算，從而得到最佳的橋梁結構。在樁基設計時，最為重要的內容便是計算豎向承載力。結合有效計算能夠得到此次的下部結構形式如下：橋的整體寬度為17m或13m條件下，下部結構應該按照三樁柱式及以上為基礎形式。橋寬度為8m或9.5m的條件下，可以設計為雙樁柱式結構。選定下部結構形式后，應該通過剪力值和軸力值對下部結構進行驗算，保證墩柱強度能夠滿足規(guī)范要求。

5 抗震設計要點

公路橋梁結構抗震設計中需要重視以下內容：第一是選擇最佳的墩柱截面設計，墩柱截面過小，會降低墩柱強度，從而不能滿足公路橋梁結構的抗震性能要求；墩柱截面過大，便會產(chǎn)生墩柱結構承載力超標的問題，使橋梁整個基礎構建尺寸過大。第二是對固定支座墩柱進行選擇的過程中，通常不會挑選矮墩結構形式，由于矮墩整體剛性相對較好，會對整個橋梁抗震性產(chǎn)生不良影響[7]。第三是橋柱之間和邊梁兩端需要維持充足縫隙，避免在產(chǎn)生地震問題時，形成落梁現(xiàn)象。第四是在橋墩的上部位置通常會安裝幾種鋼混結構限位塊，避免在出現(xiàn)地震問題時形成橫線位移。第五是橋臺背墻和梁段之間需添加設置膠塊，通過該種方法能夠幫助對水平地震力形成緩沖，減少壓力。第六是此次公路橋梁結構設計中主要選擇了抗震性能較好的橡膠盆式底部支座，通過這一支座可以有效強化橋梁整體抗震性能，針對墩柱頂部尺寸實施計算過程中，應該合理控制支座尺寸，使其低于墩頂尺寸。

6 提升結構抗震性能的具體方法

公路橋梁結構相關抗震性能設計需要從整個橋梁設計過程中體現(xiàn)出來，一旦明確具體的橋梁設計方案，便需針對抗震性能進行重點設計，并結合抗震計算和驗算工作設計最優(yōu)的結構形式。

6.1 通過對橋梁結構進行強度設計提高抗震性能

通過對橋梁結構進行強度設計提高其抗震性能是目前公路工程中中小跨徑橋梁常用的抗震設計方法之一。在進行橋梁結構設計時，通過對橋梁結構形式、尺寸、配筋等方面的設計，使橋梁在受到地震作用時保持結構完整性及彈性工作狀態(tài)，使橋梁結構不被破壞，從而能夠較好的提高橋梁抗震性能。但是在實際橋梁設計過程中，由于橋址處地質結構穩(wěn)定性有好有壞，使得橋梁結構強度設計方法在運用過程中的效果差異較大[8]。對于抗震設防烈度較大的地區(qū)，應用強度設計提高橋梁結構抗震性能時，抗震設計不易操作，震后對結構進行修復較為困難。

6.2 利用材料的延性來調高橋梁結構抗震性能

對于公路橋梁，在強震作用下橋梁下部結構墩柱柱底截面會產(chǎn)生塑性鉸，即墩底截面破壞，吸收能量，從而保護橋梁上部結構及其他部位。因此，在進行橋梁設計時，延性設計也是較為常用的方法，尤其是針對高墩大跨橋梁，該方法具有顯著效果。該方法的優(yōu)點是可以在設計過程中預期橋梁結構的破壞形態(tài)和破壞部位[9]，但地震過后對破壞部位進行修復較為困難，且不一定能達到預期效果。

6.3 利用減隔震裝置提升公路橋梁結構整體抗震性能

設置減隔震裝置是目前應用越來越廣泛的隔震措施及典型的抗震方法。近年來，我國逐漸在各類橋梁結構中應用間隔震裝置來提高橋梁的抗震性能，尤其是在大跨徑斜拉橋、懸索橋中采用隔震支座、阻尼器等[10]。利用該種方法可以促進公路橋梁結構阻尼和柔性的有效提升，減少地震對于橋梁所產(chǎn)生的作用。隔震支座在實際應用中擁有較高的抗震性能，在提高公路橋梁結構抗震性能時，除了設置隔震支座這一方法之外，同時還可以通過不斷優(yōu)化提升阻尼消耗能量來實現(xiàn)。若能夠將兩種裝置結合起來，可大幅提高橋梁抗震性能。減震裝置以及隔震支座可以進一步擴大地震作用影響下公路橋梁結構的塑性變形，減少橋梁結構所受到的損害，提升橋梁整體抗震性能[11]。但公路工程中，中小跨徑橋梁較多，采用減隔震裝置會增加工程造價。

7 結語

綜上所述，公路橋梁結構設計中，為了提高結構的整體性，應該重點考慮橋梁結構的功能性、安全性與可靠性。為此在進行結構的抗震設計過程中，需要針對地震所能造成的不利影響進行準確預測，對橋梁的地震反應進行計算，從各種環(huán)節(jié)入手，采用合理的抗震設計理念，針對橋梁結構進行合理抗震設計，確保橋梁結構在受到地震作用時依然可以保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)。