基于雙圓柱墩橋梁抗震設(shè)計(jì)思路分析

鄧英

（江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330052）

0 引言

在橋梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，橋墩抗震設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。因?yàn)闃蚨湛拐鹪O(shè)計(jì)的水平關(guān)系到橋梁運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，所以需要積極總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，掌握抗震設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)水平。

同時，在橋墩設(shè)計(jì)階段，要根據(jù)橋梁現(xiàn)場的實(shí)際情況，確定合適的抗震設(shè)計(jì)方案，選擇合適的抗震系數(shù)，達(dá)到抗震設(shè)防的要求，進(jìn)而提升橋梁抗震設(shè)計(jì)的效果，滿足橋梁的運(yùn)行需要。

1 抗震設(shè)計(jì)要求

橋梁是交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要結(jié)構(gòu)形式，如果發(fā)生損壞，會對人們的日常出行產(chǎn)生較大的影響，還會引發(fā)嚴(yán)重的安全問題，對于社會的穩(wěn)定與發(fā)展都會產(chǎn)生較大的影響?；诖耍跇蛄涸O(shè)計(jì)中，必須從實(shí)際出發(fā)，了解抗震結(jié)構(gòu)，提高設(shè)計(jì)水平。

其一，在橋梁抗震設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)人員要對橋梁的抗震結(jié)構(gòu)有足夠的了解，為確定設(shè)計(jì)方案提供基礎(chǔ)條件。橋梁是極為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，抗震設(shè)計(jì)是保證橋梁運(yùn)行安全、穩(wěn)定的關(guān)鍵，所以選擇合適的抗震系數(shù)極為重要，通過精確的抗震系數(shù)確保橋梁運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

其二，橋墩抗震設(shè)計(jì)的目的是保證地震不會對橋梁造成較大的損壞。所以需要選擇正確的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)需要構(gòu)建完整的橋梁結(jié)構(gòu)，重視各個細(xì)節(jié)部分，保證剛度以及強(qiáng)度都滿足要求。同時，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，利用抗震措施使橋墩的強(qiáng)度與剛度處于最佳狀態(tài)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

其三，根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，對于橋梁運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)很多橋梁在投入使用后會出現(xiàn)開裂、混凝土剝落等問題，嚴(yán)重者會出現(xiàn)鋼筋裸露的情況，所以要加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)，為今后工程的順利實(shí)施提供參考[1]。

2 橋墩結(jié)構(gòu)的震害研究

2.1 原因

地震是非常嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，對于人們的生命安全造成巨大的威脅，極大地威脅橋梁運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

雙圓柱墩橋梁結(jié)構(gòu)震害分為橋梁結(jié)構(gòu)振動和場地位移引起的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形兩種形式。

第一種是指受到場地運(yùn)動的影響，在慣性作用下會使地震直接作用到剛性結(jié)構(gòu)上，橋梁振動發(fā)生嚴(yán)重的損壞。

第二種是指在場地位移下通過支點(diǎn)強(qiáng)制變形產(chǎn)生的超靜定內(nèi)力，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)變形。地震發(fā)生后，雙圓柱墩橋梁會發(fā)生不同程度的損害，安全性難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，如橋墩開裂、傾斜等。因?yàn)樵诓煌燃?、不同部位上發(fā)生的地震情況有差異，所以對橋梁產(chǎn)生的影響也會有很大差異。很多地震作用下的橋梁都會發(fā)生位移變化，對各個節(jié)點(diǎn)會產(chǎn)生很大的影響，節(jié)點(diǎn)的承載力、角度等都會發(fā)生變化，橋梁本身的各個結(jié)構(gòu)也會發(fā)生相互碰撞的情況，最終造成某個部位上出現(xiàn)隆起變形的情況。地震發(fā)生后，因?yàn)闃蛄旱鼗苓叞l(fā)生變化，雙圓柱墩橋梁內(nèi)部也會產(chǎn)生相對位移，從而導(dǎo)致橋梁落梁。

與此同時，支座與橋墩的彎曲也是比較常見的橋梁震害問題，極大地影響橋梁運(yùn)行的安全性。因此，在橋梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要從多個角度出發(fā)，全方位地展開分析，優(yōu)化橋梁抗震設(shè)計(jì)，提高橋梁的安全性，為橋梁的穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)[2]。

2.2 表現(xiàn)形式

2.2.1 橋臺

在雙圓柱墩橋梁設(shè)計(jì)時，抗震系數(shù)如果超過梁體自身的承受壓力，會發(fā)生橋臺震害的問題。具體的表現(xiàn)形式是橋臺與路基同時發(fā)生位移，導(dǎo)致橋臺傾斜、開裂，底部結(jié)構(gòu)下沉、轉(zhuǎn)動。與此同時，橋臺表面會發(fā)生開裂，裂縫會隨著地震的強(qiáng)度而發(fā)生變化。開裂后，橋臺與主梁會發(fā)生碰撞，橋臺滑移與傾斜導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自身壓力增大的情況，損害主梁的結(jié)構(gòu)。這種情況比較常見，產(chǎn)生的危害也非常嚴(yán)重。因此，在橋梁的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，還要分析地震發(fā)生的特點(diǎn)，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)水平和效果。

2.2.2 樁墩

樁墩受到地震的作用后，容易產(chǎn)生傾斜、開裂的病害問題，導(dǎo)致橋墩下部鋼筋籠變形，表層混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生崩裂。傾斜病害包含單向與八字開裂，是各個樁基連接發(fā)生偏差造成的。

2.2.3 支座

支座結(jié)構(gòu)的損壞以傾斜、開裂的問題為主。固定支座的螺栓會產(chǎn)生傾斜、壓碎等嚴(yán)重的問題，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會降低。此類問題的產(chǎn)生與下部混凝土被壓碎有關(guān)，特別是發(fā)生脫落、位移后，結(jié)構(gòu)作用力較大，損壞也會更加嚴(yán)重，對于其他結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生較大的震害影響。如果在設(shè)計(jì)中并未重視這一問題，震害會影響道路交通的安全性。

3 我國抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)

目前，在我國的橋梁抗震設(shè)計(jì)中有非常明確的標(biāo)準(zhǔn)和要求，遵循國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，把經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的理念融合起來，達(dá)到科學(xué)設(shè)計(jì)的要求。在橋梁設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員需要對雙圓柱墩橋梁的特點(diǎn)有足夠的了解，并且合理進(jìn)行分類，以確定最佳的設(shè)計(jì)方案。但是，從我國橋梁設(shè)計(jì)的實(shí)際情況分析，地震標(biāo)準(zhǔn)比較低，應(yīng)用效果也比較差，所以，目前使用的橋梁設(shè)計(jì)方案對地震的反應(yīng)規(guī)律了解不足，抗震設(shè)計(jì)理念與方法存在一定的偏差。在橋梁抗震設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)積極學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，切實(shí)滿足我國橋梁運(yùn)行的抗震性能標(biāo)準(zhǔn)，并且不斷地創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念和方法，最終達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，滿足道路橋梁的使用需要，帶動我國橋梁事業(yè)的高速發(fā)展[3]。

4 雙圓柱墩橋梁抗震設(shè)計(jì)與設(shè)防措施

4.1 靜力法

靜力法是一種比較普遍應(yīng)用的抗震設(shè)計(jì)理念，是早期應(yīng)用的方式。靜力主要是指橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量與地震加速度相乘形成的慣性力，是作用在橋梁上的外力，按照該參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。對于橋梁設(shè)計(jì)來說，靜力法操作更加簡單，應(yīng)用范圍比較廣，使用難度相對較低。靜力法基于橋梁結(jié)構(gòu)的各個部分在地震時不會發(fā)生位移變形，且結(jié)構(gòu)具有巨大的剛度，忽略了地震中橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性。所以，用靜力法設(shè)計(jì)橋梁容易發(fā)生數(shù)據(jù)計(jì)算錯誤，影響橋梁的安全性。但是靜力法可以為橋梁設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，并且延伸出震度法，提高抗震設(shè)計(jì)水平，達(dá)到正常使用的要求。

4.2 反應(yīng)譜法

如果在抗震設(shè)計(jì)中沒有考慮到動力特性，必然會使得結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，威脅橋梁運(yùn)行的安全性。在反應(yīng)譜法理念之下，通過對反應(yīng)譜法不斷的研發(fā)和應(yīng)用提升設(shè)計(jì)效果。一般來說，橋梁結(jié)構(gòu)受到多個方向地震的共同作用，其結(jié)構(gòu)受力比較特殊，也比較復(fù)雜。而應(yīng)用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，就可以將多個方向的作用力共同考慮，確定最佳的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)前，我國的橋梁抗震設(shè)計(jì)通過合理應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)法，把不同方向的地震組合起來，利用反應(yīng)譜法準(zhǔn)確分析橋梁各個結(jié)構(gòu)的作用靜力。這種方法設(shè)計(jì)方案簡單，理解難度也比較小，設(shè)計(jì)、計(jì)算更加方便，結(jié)果更加準(zhǔn)確。但是也要注意，反應(yīng)譜法還存在著一定的缺陷，具體如下：

其一，反應(yīng)譜法只有應(yīng)用在雙圓柱墩橋處于彈性狀態(tài)下，才能提高雙圓柱墩橋梁的穩(wěn)定性，而在其他情況不能滿足設(shè)計(jì)的需要。

其二，反應(yīng)譜法并不能精準(zhǔn)地計(jì)算出地震作用后的真實(shí)反應(yīng)過程，只能計(jì)算出地震對橋梁作用反應(yīng)的最大值。

其三，橋梁受到地震的影響一般是多方向的，作用力也多樣化，如果使用反應(yīng)譜法進(jìn)行設(shè)計(jì)，容易忽略某個地震的作用力，也會威脅到橋梁的安全性。

4.3 時程分析法

在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)用時程分析法，將符合實(shí)際需要的地震加速度參數(shù)輸入系統(tǒng)內(nèi)，通過多節(jié)點(diǎn)度、多自由結(jié)構(gòu)模型形成振動方程，并且利用逐步積分的方式獲得最終參數(shù)，進(jìn)而可以得到各個時間點(diǎn)的地震作用力參數(shù)值，分析橋梁從開裂到損壞的各個結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，進(jìn)而可以掌握相關(guān)的參數(shù)。從目前橋梁抗震設(shè)計(jì)的實(shí)際需要分析，時程分析法要比反應(yīng)譜法更加精準(zhǔn)，但是在分析時，數(shù)據(jù)計(jì)算較為復(fù)雜，地震加速度輸入具有不確定性，且會耗費(fèi)較多的時間，還必須輔助以反應(yīng)譜法，才能形成完善的設(shè)計(jì)方案[4]。

4.4 功率譜法

在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)用功率譜法，考慮的是地震在某個時間段內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)的情況，通過平穩(wěn)功率譜密度函數(shù)展開數(shù)據(jù)計(jì)算，以掌握地震運(yùn)動的狀態(tài)。應(yīng)用功率譜法時，是利用地震加速度平穩(wěn)功率譜展開計(jì)算分析，以掌握地震作用力的情況，從而可以根據(jù)雙圓柱墩橋梁平穩(wěn)功率譜方法與密度函數(shù)計(jì)算，合理地應(yīng)用方程與函數(shù)，即可掌握地震對橋梁的作用，然后確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算確定最大位移值。較之反應(yīng)譜法來說，功率譜法的優(yōu)勢是確定各個節(jié)點(diǎn)發(fā)生地震后的不同運(yùn)動方式，缺點(diǎn)是不能應(yīng)用到結(jié)構(gòu)非線性分析中。

5 Pushover 方法在雙圓柱墩橋梁抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

5.1 Pushover 方法的原理

Pushover 方法是目前雙圓柱墩橋梁抗震設(shè)計(jì)的重要方法，具備較高的先進(jìn)性，在具體的使用時，分析結(jié)構(gòu)抗震性能，屬于非線性的方法。該方法的原理是根據(jù)橋梁工程實(shí)際情況，在結(jié)構(gòu)分析模型上施加外部作用力，然后按照發(fā)展變化的規(guī)律，在模型中施加遞增的側(cè)向荷載，進(jìn)而可以將雙圓柱墩橋梁從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，在這種情況下，結(jié)構(gòu)分析模型控制點(diǎn)位移也會隨著時間的推移而加大，直到最終控制點(diǎn)位移達(dá)到既定目標(biāo)。在Pushover 方法應(yīng)用后，按照已經(jīng)獲取的目標(biāo)位移了解運(yùn)行狀態(tài)，了解各個結(jié)構(gòu)的影響情況，從而提高橋梁的抗震設(shè)計(jì)水平。

5.2 Pushover 方法的假設(shè)

在現(xiàn)代社會，人們對于生命安全的重視度不斷提高，所以對橋梁抗震設(shè)計(jì)的重視度不斷提高，Pushover 方法被廣泛應(yīng)用，尤其是在雙圓柱墩橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用，可以產(chǎn)生非常好的效果。但是就目前應(yīng)用效果來看，Pushover 方法的理論基礎(chǔ)還有一定的不足，造成應(yīng)用范圍受到限制。在Pushover 方法應(yīng)用時，要做出如下假設(shè)：

其一，雙圓柱墩橋梁第一振型會對地震反應(yīng)產(chǎn)生影響。

其二，雙圓柱墩橋梁受到地震影響而發(fā)生高度上的變形，需要在地震發(fā)生后，用不變的形狀向量表示。在應(yīng)用Pushover 后，結(jié)合上述假設(shè)開展抗震設(shè)計(jì)，將多自由度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為單自由度結(jié)構(gòu)。分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，很多橋梁工程都會在第一振型快速地確定雙圓柱墩橋梁受到地震作用的影響。因此，在確定的假定范圍內(nèi)，利用Pushover 展開地震設(shè)計(jì)是合理的。

5.3 Pushover 方法的具體實(shí)施步驟

雙圓柱墩橋梁在抗震設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)用Pushover 方法極為有效，為了提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，應(yīng)按如下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：

其一，考慮到橋梁施工建設(shè)的具體情況，展開結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)，符合現(xiàn)場運(yùn)行條件，并把塑性鉸設(shè)置在變形部位。

其二，按照工程的實(shí)際情況分析，給模型施加自重，同時還要保證上部結(jié)構(gòu)荷載可以實(shí)現(xiàn)豎向傳播。

其三，荷載設(shè)計(jì)采用單調(diào)遞增的方式，并且使用第一振型準(zhǔn)確地反映雙圓柱墩橋梁受到地震后可能出現(xiàn)的反應(yīng)。

其四，計(jì)算雙圓柱墩橋梁模型的上部結(jié)構(gòu)豎向傳輸荷載、模型自重與側(cè)荷載影響，進(jìn)而可以確定屈服狀態(tài)。

其五，將上述4 個步驟重復(fù)進(jìn)行，直到加載到塑性鉸處于屈服狀態(tài)。

其六，將獲取后的結(jié)果進(jìn)行整理應(yīng)用，從軟件中得到結(jié)構(gòu)基地剪切以及控制位移間的關(guān)系曲線，得出最終的結(jié)果，即可結(jié)束抗震性能分析。按照上述步驟確定橋梁抗震設(shè)計(jì)方案，滿足結(jié)構(gòu)性能的需要，確保在地震發(fā)生后依然能夠保持良好的穩(wěn)定性，不會引發(fā)嚴(yán)重的危害和影響[5]。

6 結(jié)語

地震是自然界中非常嚴(yán)重的自然災(zāi)害，無法預(yù)測，一旦發(fā)生會造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。地震的能量非常大，會對橋梁結(jié)構(gòu)造成很大的危害。因此，應(yīng)加強(qiáng)橋梁抗震設(shè)計(jì)，落實(shí)設(shè)計(jì)措施，提高雙圓柱墩橋梁的穩(wěn)定性，給人們提供良好的交通環(huán)境。