淺析山區(qū)高烈度地震區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計

夏榮泉

合肥信睦工程建設(shè)有限公司 安徽 合肥 230000

引言

本文將以某地方公路橋梁建設(shè)作為分析對象，該路段的抗震烈度為9度，并且地形、地貌相對復(fù)雜，存在大量的陡坡與深溝，且大跨度結(jié)構(gòu)較多，根據(jù)實際調(diào)查顯示，該地區(qū)的抗震設(shè)計已明顯超出橋梁設(shè)計規(guī)范中的使用范圍，因此需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，明確抗震概念設(shè)計內(nèi)容，確保后續(xù)提出的設(shè)計方法切實可行。

1 山區(qū)高烈度地震區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋抗震概念設(shè)計探究

概念設(shè)計即是依照地震災(zāi)害特征以及相關(guān)工程經(jīng)驗所制定的基本設(shè)計思路與建設(shè)原則，確保結(jié)構(gòu)改造方案切實滿足使用需求，達(dá)到解決實際問題的作用。在進行概念設(shè)計時需要保證設(shè)計后的橋梁結(jié)構(gòu)剛度、延性等指標(biāo)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，要求各構(gòu)件組合后能夠保持較高的經(jīng)濟效益，符合抗震目標(biāo)。

該主橋的最大橋高為90m，主橋孔跨為連續(xù)鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)，在橋梁兩側(cè)則是以30m跨先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁為主，橋?qū)挒?6m，其中橋型布置立面中的第一聯(lián)屬于4×30結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，第二聯(lián)為（50+90+50）的連續(xù)剛構(gòu)，第三聯(lián)同樣為4×30結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁。主墩則是使用雙肢薄壁墩，屬于墩梁固結(jié)形式，而在分墩處則設(shè)有滑動支座、在引橋位置采用雙柱式矩形墩、墩頂設(shè)置蓋梁、T梁支點則設(shè)置高阻尼橡膠支座。山區(qū)高烈度地震區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋本身擁有較高的變形能力，可以利用墩梁固結(jié)的方法進一步限制橋墩變形，借助高墩降低地震作用的不良影響。科學(xué)、合理地進行橋墩結(jié)構(gòu)選型以及配筋設(shè)置不僅可以保證橋梁整體具有良好的延性，還能形成天然的隔震體系，使抗震效果達(dá)到最大化[1]。

該連續(xù)剛構(gòu)橋采用的主墩結(jié)構(gòu)形式為雙薄壁墩，規(guī)格為寬8.7m、厚1.5m，由于該路段相對陡峭，因此主墩的墩高具有一定的差異性，分別為50m與40m，如若依照結(jié)構(gòu)力學(xué)平移剛度公式計算，可知二者的剛度比為0.49，難以滿足抗震設(shè)計規(guī)范中的相關(guān)要求，會使主墩的受力過于集中，容易引發(fā)安全事故。此外，經(jīng)過模擬主墩橫向?qū)挾扰c梁底寬度可知，二者寬度相同均為8.7m，這樣主墩的橫向高寬比例分別在6.1與4.5，而橫向偏大的剛度必然會導(dǎo)致樁基礎(chǔ)承受極大的墩底彎矩，從而使基樁壓力過大[2]。

此外，為了保證后續(xù)抗震設(shè)計能夠有序?qū)嵭?，還要做好公路橋梁檢驗，判斷橋梁的整體性能，比如：擊實檢測，是當(dāng)前公路橋梁試驗檢測中較為常見的一種，該技術(shù)能夠極大的加強所需填土的密度并降低其透水性。在工程過程中，依據(jù)所使用的粒徑大小將其分為重型擊實和輕型擊實。粒徑長度小于5mm的土使用輕型擊實，而粒徑在20mm以上的土使用重型擊實。在進行公路橋梁試驗檢測時，通常將較為濕潤的土壤作為研究對象，土壤必須含有一定量的水分，才能保證土的壓實度。實驗過程中所使用的壓實工具為擊實儀器，在擊實完成后，統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)進行曲線圖繪制，得到檢測結(jié)果；射線檢測，是目前公路橋梁試驗檢測技術(shù)中較為新穎的一種。其方法是通過紅外線技術(shù)檢測橋梁中一些相對隱蔽的問題，特別是對于橋梁中一些細(xì)小的裂縫和破損，能夠有效地進行檢測，提高工作效率。在施工完成后，同樣以圖形的形式表現(xiàn)出來，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，進行問題的處理和橋梁的維修工作，進而使橋梁的使用壽命進一步延長。射線檢測技術(shù)具有先進性和高效性等特點，使檢測結(jié)果更準(zhǔn)確、更科學(xué)。但也存在一定的安全隱患，檢測技術(shù)中的紅外線如果長期使用會產(chǎn)生輻射，危害人體健康。所以在進行射線檢測工作時，一定要提前做好防范措施，盡可能地減小輻射帶來的影響[3]。

綜上所述，在制定抗震設(shè)計方案、明確抗震設(shè)計基本思路時需要充分考慮各個橋墩的剛度匹配，保證橋梁具有極強的穩(wěn)定性與安全性，并在原設(shè)計上進行適當(dāng)?shù)臉?gòu)造調(diào)整，比如：①將主墩的整體式承臺轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向分離式承臺，以此達(dá)到減少墩底轉(zhuǎn)動約束剛度的目的，同時要適當(dāng)降低矮墩的截面大小，以此實現(xiàn)抗震作用的均勻傳遞，防止構(gòu)件應(yīng)力過度集中，破壞橋梁結(jié)構(gòu)；②將主墩整體截面進一步拆分成橫向雙柱，起到降低主墩剛度的作用，并保持主橋與引橋的振型頻率一致，在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)加強主墩縱向剛度，控制好梁體位移，使位移量滿足抗震設(shè)計規(guī)范；③要在主橋分離墩位置布設(shè)鋼絲繩支座，這樣當(dāng)出現(xiàn)位移超出安全標(biāo)準(zhǔn)值時能夠提供極強的水平抗力，進而避免落梁現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2 結(jié)構(gòu)動力特性

為有效開展結(jié)構(gòu)動力特性分析，相關(guān)工作人員可建立橋梁結(jié)構(gòu)空間線性動力模型。此時，最為實用的軟件是Midas Civil，這種空間有限元分析軟件在橋梁結(jié)構(gòu)分析設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用最廣。基于模型，可對山區(qū)高烈度地震區(qū)連續(xù)鋼構(gòu)橋梁的梁體加以模擬以便提高結(jié)構(gòu)可靠性?；诳臻g梁單元模擬，完成主梁、墩柱結(jié)構(gòu)分析，在梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中潛在塑性鉸單元都必須選用合適的截面。比如，選用纖維截面滿足橋墩柱頂?shù)讍卧约跋盗旱慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定需求。當(dāng)然，這一過程中也應(yīng)該通過作用力模擬完成結(jié)構(gòu)分析。比如，向樁身梁單元施加離散側(cè)向土彈簧，使之模擬樁-土機構(gòu)之間的相互作用力，并在此環(huán)節(jié)對碰撞效應(yīng)（相鄰梁端）、限位效應(yīng)（鋼絲繩與支座摩擦）加以考量，從而實現(xiàn)間隙與鉤單元的科學(xué)設(shè)置。

從現(xiàn)實角度來看，基于動力特性能夠有效分析結(jié)構(gòu)整體的抗震性；在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，基于這一參數(shù)可確定該結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與剛度分布情況，從而獲得抗震分析依據(jù)。通常來說，結(jié)構(gòu)使用中的部分參數(shù)具有抗震控制作用，比如結(jié)構(gòu)前幾階自振頻率和振型。基于此，筆者將依照橋梁前3階振動頻率開展動力特性分析。選用方案一時，橋梁前3階的振動頻率、振動周期以及振型如下：①一階振動頻率為0.265Hz，振動周期為3.770s，振型為主橋縱移；②二階振動頻率為0.376Hz，振動周期為2.658s，振型為引橋第三聯(lián)縱移；③三階振動頻率為0.398Hz，振動周期為2.513s，振型為引橋第一聯(lián)縱移。而選用方案二時，橋梁前3階的振動頻率、振動周期以及振型如下：①一階振動頻率為0.374Hz，振動周期為2.348s，振型為主橋橫移；②二階振動頻率為0.385Hz，振動周期為2.421s，振型為主橋縱移；③三階振動頻率為0.395Hz，振動周期為2.481s，振型為引橋第三聯(lián)縱移。由此可見，無論是主橋還是引橋都未出現(xiàn)較大的自振頻率，這一情況主要源自于橋墩高度與柔性大，而且引橋擁有高阻尼橡膠支座。在使用方案時不難發(fā)現(xiàn)，增設(shè)墩柱中部系梁會讓主橋的縱向剛度與自振頻率都得到提升；而且，利用分離雙柱形式完成主墩橫截面（整體）調(diào)整后，其剛度出現(xiàn)明顯下降。

3 非線性時程

3.1 模擬邊界條件

連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)地震動反應(yīng)受到多方面因素影響，其中最具代表性影響有三種：其一是伸縮縫碰撞；其二是滑動支座；其三是鋼絲繩摩擦擺支座的非線性性質(zhì)?；谶@三方面因素帶來的影響，非線性時程分析環(huán)節(jié)相關(guān)工作人員充分考慮材料的非線性影響，并著重分析邊界的非線性影響。鋼絲繩摩擦擺支座位于主橋分聯(lián)墩，鋼絲繩處在支座上下鋼板之間并存在一定預(yù)留變形余量。當(dāng)發(fā)生罕遇地震時，支座將出現(xiàn)位移進而產(chǎn)生能耗，若其位移量達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)則鋼絲繩將會拉緊，在水平力作用之下梁體將保持穩(wěn)定可有效避免落梁。

地震之中，橋梁結(jié)構(gòu)中不同組成部分之間的碰撞反應(yīng)會嚴(yán)重威脅橋梁穩(wěn)定性，更會讓震害發(fā)生的概率以及災(zāi)害嚴(yán)重性大增。當(dāng)前，有關(guān)于橋梁碰撞導(dǎo)致震災(zāi)的研究較為豐富，國內(nèi)外學(xué)者對這一問題都十分關(guān)注，不僅從理論角度闡釋問題，還進行了多樣化試驗來驗證和研究橋梁碰撞問題。比如，部分學(xué)者基于“Hertz+波動力學(xué)”理論，相鄰梁之間的碰撞問題加以研究，不僅利用專業(yè)理論描述碰撞過程，更通過Kelvin撞擊模型做出科學(xué)模擬分析。基于上述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分析城市梁橋地震碰撞反應(yīng)時，可在3×105-6×105kN/m范圍內(nèi)取值，而碰撞恢復(fù)系數(shù)的建議取值范圍則應(yīng)控制在0.7～0.95。

3.2 地震動輸入分析

地震輸入分析過程中，相關(guān)工作人員可借助于地震安評合成的3條地震波實現(xiàn)非線性時程分析。此時，各相關(guān)系數(shù)都不超過0.1，各個周期段的實際反應(yīng)譜值也都與設(shè)計情況基本吻合。

3.3 碰撞效應(yīng)比對

為了更好地完成梁端碰撞效應(yīng)的分析對比，確保其對非線性抗震結(jié)果的影響得到充分呈現(xiàn)，需要進一步探究梁端支座設(shè)置鋼絲繩支座以及縱向活動支座時，不同情況下同一地震產(chǎn)生過程中梁體的位移以及形成的內(nèi)力，同時在對比時需要將梁體間隙控制在25cm左右，并將塑性膠區(qū)域指定為纖維界面，將材料的非線性特點考慮到位。為此本文將以最典型的碰撞效應(yīng)進行分析討論，研究未設(shè)置主墩系梁時，各支撐件體系下順橋向位移以及墩柱彎矩等地震響應(yīng)的實際規(guī)律。

圖1是設(shè)置鋼絲繩摩擦擺支座墩地彎矩圖，將圖中信息與反應(yīng)譜標(biāo)準(zhǔn)進行對比，可以發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)梁端碰撞時，會有一種明顯的下降，而圖中的7號墩作為最大彎矩M，比反應(yīng)譜小34%，這種情況的出現(xiàn)也與前期制作的位移情況具有一致性。7號墩在前期設(shè)置時并沒有嚴(yán)格的考慮碰撞情況，因此在數(shù)據(jù)顯示中會比常規(guī)情況的最大彎矩大89%。雖然有以上情況的出現(xiàn)，但是其整體上還在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，不會產(chǎn)生其他較大的影響。在發(fā)生地震時，若沒有充分考慮到防震等工作，則很容易使主墩與其他墩產(chǎn)生位移，導(dǎo)致鋼絲繩拉緊，難以保證橋梁的質(zhì)量，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的安全事故[4]。

圖1 設(shè)置鋼絲繩摩擦擺支座墩地彎矩

相關(guān)部門在前期規(guī)劃中，應(yīng)充分考慮碰撞因素的影響。在進行相應(yīng)的調(diào)整之后，則可以降低彎矩值90%，這種降低可以幫助截面更好地適應(yīng)整體情況，使其處于彈性狀態(tài)，以此保證整體的安全性以及穩(wěn)定性。

3.4 設(shè)置橫系梁后的結(jié)果對比

對于連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計來講，要在計算碰撞情況的基礎(chǔ)上，降低墩梁對整體的影響，若限制因素較多，則很容易使鋼絲繩失去拉緊功能。由于地震的強度以及形式無法預(yù)知，因此當(dāng)出現(xiàn)特殊地震時，若鋼絲繩出現(xiàn)極端拉緊，則會降低邊墩的穩(wěn)定性。本橋?qū)τ谡w結(jié)構(gòu)來講非常重要，因此要想進一步增強橋體的質(zhì)量，就必須在橋體中設(shè)置橫系梁，橫系梁的建設(shè)可以使邊墩在各種狀況下保持彈性，在這種情況下，彎矩會有所提升，主梁的位移將會從常規(guī)的57.5cm降低到33.2cm，且可以規(guī)避原有結(jié)構(gòu)在極端情況下出現(xiàn)鋼絲繩拉緊情況的可能性。與此同時，橫系梁的設(shè)置可以有效加大內(nèi)力，提升受壓保護層的質(zhì)量，降低對橋體結(jié)構(gòu)的損壞。而這種情況也可以更好的降低截面出現(xiàn)塑性的概率，以此保證結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，增加其穩(wěn)定性以及安全性。

4 結(jié)束語

綜上所述，在進行山區(qū)高烈度地震區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計時要優(yōu)先建立正確的設(shè)計思路，確保主墩和邊墩的受力較為均衡，充分考慮梁端的碰撞效應(yīng)，降低主梁的相對位移，實現(xiàn)邊墩彎矩的大幅度減少，并在主墩設(shè)置橫系梁、在邊墩設(shè)立鋼絲繩，用以縮短結(jié)構(gòu)自振周期，強化橋梁的地震力。而在構(gòu)件選取上則要充分掌握其抗震效果，合理設(shè)定剛度參數(shù)，確保整體結(jié)構(gòu)滿足抗震標(biāo)準(zhǔn)。此外，在實際產(chǎn)生地震時要進一步分析梁體偏轉(zhuǎn)、擋塊碰撞產(chǎn)生的不利影響。