高速公路非規(guī)則高墩橋梁抗震性能設(shè)計研究

摘要 為提高高速公路橋梁通車安全，文章開展高速公路非規(guī)則高墩橋梁的抗震性能設(shè)計研究。首先，以F高速公路工程為研究對象，分析非規(guī)則高墩橋梁在震中的受力特征；然后以此為基礎(chǔ)，優(yōu)化設(shè)計加速度反應(yīng)譜、橋梁結(jié)構(gòu)剛度等參數(shù)，實現(xiàn)高墩橋梁的抗震性能優(yōu)化。測試結(jié)果表明，根據(jù)所提方法設(shè)計的橋墩，在三向地震波作用下的縱向位移在0.08 mm以內(nèi)，橫向位移在0.10 mm以內(nèi)，各方向抗剪力均超過1 000 kN，說明所提方法設(shè)計的抗震性能更佳。

關(guān)鍵詞 高速公路；非規(guī)則；高墩；橋梁；抗震性能設(shè)計

中圖分類號 U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0078-03

0 引言

高速公路是供汽車高速行駛的公路，具有速度快、通行量大、運(yùn)輸效率高等優(yōu)勢，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。非規(guī)則高墩橋梁是一種非規(guī)則的墩身形狀、曲線形狀、墩高等結(jié)構(gòu)[1]。受地形、水文等條件的限制，橋梁的墩高相差懸殊，形成非規(guī)則的高墩橋梁。該類橋梁受力較為復(fù)雜，在地震作用下會對橋梁結(jié)構(gòu)本身造成破壞，并導(dǎo)致周圍環(huán)境出現(xiàn)沉降、液化等問題，不利于高速公路的通行安全[2]。在設(shè)計與施工的過程中，非規(guī)則高墩橋梁需要綜合考慮地形條件、氣候環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境，調(diào)整抗震參數(shù)，從而確保公路橋梁的建設(shè)安全性。

抗震性能設(shè)計是從整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、延性的設(shè)計，以確保橋梁在地震作用下仍能保持穩(wěn)定的運(yùn)行態(tài)勢[3]。抗震性能設(shè)計主要包括靜力設(shè)計、底部剪力設(shè)計、反應(yīng)譜設(shè)計等方面，將慣性力作為靜力，并準(zhǔn)確評估橋梁在不同地震作用下的抗震性能。通過加強(qiáng)橋梁連接點與節(jié)點，提高脆弱構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度，真正意義上實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的抗震[4]。該文以橋梁受力特征分析為基礎(chǔ)，開展高速公路非規(guī)則高墩橋梁的抗震性能設(shè)計這一課題，通過模擬地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，確定結(jié)構(gòu)位移、抗剪性能等參數(shù)，為橋梁抗震性能設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

該文以F高速公路為例，對高速公路非規(guī)則高墩橋梁抗震性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。F高速公路的起始點為ZK44+818.919，終止點為ZK44+1052.432，橋面凈寬約為11.05 m，共有7跨。上部結(jié)構(gòu)采用連續(xù)箱梁布置，下部結(jié)構(gòu)采用非規(guī)則高墩布置，能夠滿足此次分析需求。F高速公路橋梁的立面布置情況如圖1所示：

如圖1所示，該高速公路橋梁的最大墩高為50 m，最小墩高為15 m。其中，1、3、5號墩為矩形薄壁空心墩，2、4、6號墩為雙柱墩。

2 高速公路非規(guī)則高墩橋梁抗震設(shè)計

2.1 高墩橋梁震中受力特征分析

高墩橋在地震作用下存在多種受力，是影響橋梁穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[5]。該文分析側(cè)移力、水平地震作用力、基底剪力等受力特征，以判斷高墩橋梁多自由度體系的屈服狀態(tài)。在地震作用下，前8階振型與周期的變化情況如表1所示。

由表1可見，不同橋墩形式存在不同的振型，不同的震中受力也隨之出現(xiàn)[6]。在地震作用下，橋墩等截面剪切處的側(cè)移力表示如下：

（1）

式（1）中，——橋墩等截面剪切處的側(cè)移力（kN）；η——等截面剪應(yīng)力的不均勻系數(shù)；q——橋墩分布力峰值（kN）；H——橋墩結(jié)構(gòu)的總體高度（m）；G——柱截面的剪切剛度（kN/m）。在地震方向的單自由度體系加速度等效時，橋梁結(jié)構(gòu)受到的水平地震力表示如下：

（2）

式（2）中，F(xiàn)s——橋梁結(jié)構(gòu)受到的水平地震力（kN）；mi——橋梁i點的等效阻尼比；ai——等效加速度（m/s2）。在水平地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)受到的基底剪力表示如下：

（3）

式（3）中，K——橋梁結(jié)構(gòu)受到的基底剪力（kN）。根據(jù)、Fs、K優(yōu)化橋梁抗震性能，以確保橋梁的穩(wěn)定性。

2.2 高墩橋梁抗震性能優(yōu)化設(shè)計

在開展高墩橋梁的抗震性能優(yōu)化設(shè)計過程中，應(yīng)全面考慮多種影響因素，如橋梁材料特性、幾何構(gòu)型、地質(zhì)條件及設(shè)計荷載等。為了提升橋梁在地震中的抗毀能力，必須對各種建筑材料進(jìn)行深入分析，挑選出既具備高抗拉強(qiáng)度又具有良好延展性的材料。利用先進(jìn)材料如高性能混凝土與鋼材，能夠有效增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)在抗剪及抗彎方面的性能。

針對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾何形態(tài)，橋墩的形狀和大小需經(jīng)過精確優(yōu)化，以便在地震發(fā)生時，能夠有效地分解并傳導(dǎo)地震產(chǎn)生的能量。對于非規(guī)則高墩橋梁，應(yīng)采取變截面設(shè)計策略，賦予上部與下部不同的截面形狀及尺寸，從而優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、提升其抗震能力；應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)勘察，掌握橋梁所在區(qū)域的地質(zhì)和水文狀況，并據(jù)此選擇恰當(dāng)?shù)臉蚨栈A(chǔ)類型與施工深度，以保證基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具備必要的承載能力和抗震特性。

在設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)時，必須全面考慮其在日常負(fù)荷及地震影響下的各類荷載組合，進(jìn)而開展抗震性能的分析和規(guī)劃工作。借助有限元分析技術(shù)，構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)的精細(xì)化模型，對地震影響下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行模擬，評估其在地震中的位移、內(nèi)力及應(yīng)力狀況，以驗證橋梁設(shè)計的抗震安全性。

墩地反應(yīng)譜分析結(jié)果如表2所示：

如表2所示，1#為1號墩；2#為2號墩。fx為縱向地震荷載作用下的剪力；fy為橫向地震荷載作用下的剪力；fz為豎向地震荷載作用下的剪力。mx為縱向地震荷載作用下的彎矩；my為橫向地震荷載作用下的彎矩；mz為豎向地震荷載作用下的彎矩。I1為墩底，自重1.0 kN，縱向地震荷載為1.0 kN，橫向、豎向地震荷載為0的荷載組合方式[7]；I2為墩底，自重1.0 kN，橫向地震荷載為1.0 kN，縱向、豎向地震荷載為0的荷載組合方式；I3為墩底，自重1.0 kN，豎向地震荷載為1.0 kN，橫向、縱向地震荷載為0的荷載組合方式；I4為墩底，自重1.2 kN，無縱向、橫向、豎向地震荷載的組合方式[8]。在此條件下，優(yōu)化橋梁抗震性能參數(shù)，公式如下：

（4）

式（4）中，Smax——橋梁水平抗震性能優(yōu)化設(shè)計的加速度反應(yīng)譜最大值；Ci——抗震重要性系數(shù)；Cs——場地系數(shù)，反映地震受力特性對橋梁抗震性能的影響；Cd——阻尼調(diào)整系數(shù)。橋梁結(jié)構(gòu)剛度表示如下：

（5）

式（5）中，P——橋梁結(jié)構(gòu)剛度（kN/m）；Gd——橋梁結(jié)構(gòu)的動剪切模量（Pa）；St——橋梁結(jié)構(gòu)的剪切面積（m2）。根據(jù)橋梁水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜、橋梁結(jié)構(gòu)剛度等參數(shù)，優(yōu)化高墩橋梁抗震性能，避免橋墩位移對橋梁安全的影響。

3 橋梁抗震性能評估結(jié)果

從橋墩位移、主墩墩頂?shù)目辜袅蓚€方面，評估橋梁抗震性能，判斷抗震性能的優(yōu)化效果。位移評估結(jié)果如表3所示：

如表3所示，在高速公路運(yùn)行的過程中，橋墩的最大位移在±5.0 mm以內(nèi)即可確保橋墩的抗震效果。在單向地震波作用下，橫向位移約等于0 mm，縱向位移在0.03 mm以內(nèi)，抗震性能較佳；在雙向地震波作用下，縱向位移在0.05 mm以內(nèi)，橫向位移在0.06 mm以內(nèi)，抗震性能同樣良好；在三向地震波作用下，縱向位移在0.08 mm以內(nèi)，橫向位移在0.10 mm以內(nèi)，抗震性能也比較良好。由此可見，高墩橋梁抗震性能經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，橋墩的抗震性能較佳。在地震波作用下，橋梁主墩墩頂?shù)淖畲罂辜袅η闆r如表4所示：

如表4所示，抗剪力與剪力對應(yīng)，是抵抗剪切的力，以此可以判斷橋梁的抗震性能。高墩橋梁抗震性能經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，各個方向的抗剪力均超過1 000 kN。也就是說，無論是單向、雙向，還是三向地震波作用下，均能夠抵抗1 000 kN的剪力，橋梁主墩墩頂在受到剪切破壞時，其抵抗強(qiáng)度更高，能夠確保高速公路非規(guī)則橋梁的安全性，符合該文的研究目的。

4 結(jié)束語

近年來，高速公路成為連接城市與鄉(xiāng)村、城市與城市的重要橋梁，不僅促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)交流，還減輕了交通壓力，對于城市交通的發(fā)展具有重要作用。非規(guī)則高墩橋梁受其獨(dú)特的優(yōu)勢影響，廣泛應(yīng)用于高速公路建設(shè)中。該文以非規(guī)則高墩橋梁形式為主，研究了高速公路非規(guī)則高墩橋梁抗震性能設(shè)計這一課題，從受力特征分析、抗震性能優(yōu)化、抗震性能評估等方面，深入分析了高墩橋梁的抗震性能，并綜合考慮橋梁形狀、材料特性、荷載作用、地震作用等影響因素，真正意義上實現(xiàn)了橋梁抗震性能的優(yōu)化，為高速公路的運(yùn)行提供了安全保障。

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收稿日期：2024-07-22

作者簡介：馬正（1993—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：高速公路橋涵設(shè)計。