公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究

郭迪金（贛州忠信公路工程監(jiān)理有限公司，江西贛州341000）

公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究

郭迪金
（贛州忠信公路工程監(jiān)理有限公司，江西贛州341000）

公路橋梁作為重要的交通結(jié)構(gòu)，其抗震性以及安全性與人們的生活息息相關(guān)，為此，以具體橋梁為實(shí)例，重點(diǎn)分析抗震設(shè)計(jì)方案，提升橋梁質(zhì)量的措施，以期為橋梁設(shè)計(jì)人員提供一定的參考。

公路；橋梁；結(jié)構(gòu)；抗震；設(shè)計(jì)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.024

1 引言

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需保證其可靠及安全性，要求橋梁結(jié)構(gòu)安全和完整，防止橋梁受到地震的影響而遭到破壞，出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故。所以，在地震多發(fā)區(qū)域架設(shè)橋梁時(shí)，必須要保證其具備一定的抗震性。對(duì)可能會(huì)發(fā)生地震的區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)分析，力求保證橋梁在經(jīng)歷地震之后，還能保持其安全通行，或者盡量的減少地震所帶來的危害，以便日后維護(hù)。

2 工程概況

案例工程處于地震斷裂帶，此處的抗震等級(jí)比較高，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)橋梁的抗震性能進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算和設(shè)計(jì)。本工程橋梁結(jié)構(gòu)涉及到方方面面，橋梁跨度比較大，各墩型剛性差別比較大，因此，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需進(jìn)行抗震計(jì)算，計(jì)算時(shí)要以可能出現(xiàn)的最壞情況為主要設(shè)計(jì)依據(jù)。此處橋梁設(shè)計(jì)工作主要包括計(jì)算結(jié)構(gòu)、抗震計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及抗震措施選擇。

3 計(jì)算結(jié)構(gòu)的選取

3.1 計(jì)算方法

本工程抗震設(shè)計(jì)依據(jù)為《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[1]6.3條及其條文方法。本方法中對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)水平順橋向和水平橫橋向的具體布置進(jìn)行抗震分析。本橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為連續(xù)結(jié)構(gòu)，中間墩柱采用固定盆式支座，其余墩柱則選擇單向或雙向盆式支座。這樣，地震發(fā)生時(shí)，順橋向地震力由固定支座承擔(dān)，橫橋向的地震力由各個(gè)墩柱共同承擔(dān)。

3.2 橋址地震參數(shù)

本橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要數(shù)據(jù)為：抗震設(shè)防裂縫8度，地震作用下抗震重要性系數(shù)0.43、設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度0.20g、建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類、地震反應(yīng)譜特征周期0.55s、區(qū)劃圖上的特征周期0.40s、場(chǎng)地系數(shù)1.2等。

3.3 結(jié)構(gòu)選取

橋梁整體抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算的單位，通常是以伸縮縫作為分割部門，使用這種方法將本橋梁分成若干單元。大型橋梁通常可以分成上百個(gè)單元結(jié)構(gòu)，但是，在實(shí)際抗震性計(jì)算時(shí)，不需要對(duì)所有單元都進(jìn)行抗震性分析，因此，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇幾段比較有代表性的區(qū)域即可，而選擇的單元必須能夠代表橋梁的整體情況。表1所示為本橋梁設(shè)計(jì)抗震性能控制單元。

表1 抗震設(shè)計(jì)的主要控制計(jì)算單元

在進(jìn)行單元?jiǎng)澐謺r(shí)，主要考慮的因素是橋梁寬度、長度、最大跨度及墩高度等等。主要是由于在對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)過程中，以上因素都會(huì)影響橋梁整體抗震性能，與此同時(shí),還會(huì)對(duì)橋梁整體產(chǎn)生多方影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，通常選擇影響最大的某個(gè)因素進(jìn)行重點(diǎn)分析，進(jìn)而確定橋梁支撐墩柱的具體尺寸，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合其他因素,最終確定墩柱橫截面尺寸。為了保證墩柱與橋梁達(dá)到比例協(xié)調(diào)，本工程以橋?qū)捵鳛榛緮?shù)據(jù)。橋?qū)捯欢〞r(shí)，順橋向最大地震力主要取決于最大聯(lián)長控制，橫橋向最大影響是由橋梁最大跨度決定的[2]。

4 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)抗震性能的研究主要以單柱墩為對(duì)象，利用反應(yīng)譜法的計(jì)算公式進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。首先，通過計(jì)算可以得出順橋向作用于支座頂部，以及橫橋向作用于橋梁上部結(jié)構(gòu)的地震力。然后，通過計(jì)算得出在此地震力影響下橋梁發(fā)生的水平位移和基礎(chǔ)頂面的水平位移。通過一系列的計(jì)算得出，順橋向和橫橋向?qū)Φ卣鸬男?yīng)與永久效應(yīng)組合，根據(jù)此處的計(jì)算數(shù)據(jù)可以得出，橋梁中受壓部件在規(guī)定情況下的橋梁強(qiáng)度，此時(shí)可以對(duì)橋梁墩柱的縱筋進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 樁基礎(chǔ)和墩柱設(shè)計(jì)

單柱墩結(jié)構(gòu)的底部部分存在潛在的塑性鉸區(qū)域，根據(jù)地震作用情況可以計(jì)算得出墩柱的配筋。同時(shí)，依據(jù)順橋向和橫橋向的極限彎曲值進(jìn)行計(jì)算，最關(guān)鍵的因素在于選材的強(qiáng)度、最不利軸力以及超強(qiáng)系數(shù)。極限彎曲值再與剪力、軸力值相結(jié)合，即能得出最佳的樁直徑以及組合，此時(shí)樁應(yīng)保持彈性狀態(tài)，同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)樁負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，保證樁在承受力范圍之內(nèi)[3]。

在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，需要考慮非常多的因素，其中以極限彎矩值最為關(guān)鍵，由于其能確定樁基礎(chǔ)的配筋數(shù)量和形式，還能根據(jù)對(duì)應(yīng)的剪力值得出墩柱的高度；軸力值在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，一般需要綜合橋?qū)挕⒖鐢?shù)以及跨徑等等。本設(shè)計(jì)選擇最簡(jiǎn)單的計(jì)算方式，使用關(guān)鍵因素假定法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)而得出最適合的橋梁結(jié)構(gòu)。對(duì)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵的部分在于豎向承載力的計(jì)算，通過計(jì)算得出本次樁基礎(chǔ)直徑及其組合為：橋?qū)?3m和17m時(shí)，樁基礎(chǔ)為3樁或者以上群樁進(jìn)行施工；當(dāng)橋?qū)挒?.5m和8m時(shí)，樁基礎(chǔ)為雙樁結(jié)構(gòu)。計(jì)算完成之后，在使用軸力值和剪力值對(duì)橋梁進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)算，保證強(qiáng)度符合要求[4]。

6 抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）選擇最佳墩柱截面。如果墩柱截面設(shè)計(jì)太小，則其強(qiáng)度根本無法滿足地震要求；如果墩柱截面設(shè)計(jì)較大，則會(huì)出現(xiàn)承載力過大的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)橋梁基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸過大。

2）在選擇固定支座墩時(shí)，一般不會(huì)選擇矮墩結(jié)構(gòu)，因?yàn)榘沼蟹浅：玫膭傂裕瑫?huì)對(duì)整體橋梁抗震性產(chǎn)生負(fù)面影響。

3）邊梁兩端和橋柱間應(yīng)有充足的間隙，防止地震發(fā)生時(shí)出現(xiàn)落梁現(xiàn)象。

4）橋墩上部結(jié)構(gòu)一般會(huì)設(shè)置若干鋼混結(jié)構(gòu)的限位塊，防止地震發(fā)生時(shí)出現(xiàn)橫線位移的現(xiàn)象。

5）橋臺(tái)背墻與梁段間加裝膠塊，能有效緩沖水平地震力。

6）本橋梁施工中使用的是抗震性盆式橡膠支座，能夠加強(qiáng)抗震性能，在進(jìn)行墩頂尺寸計(jì)算時(shí)，保證支座尺寸低于墩頂尺寸。

7 提高結(jié)構(gòu)抗震性能的方法

橋梁抗震性能設(shè)計(jì)應(yīng)該體現(xiàn)在橋梁整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，橋梁設(shè)計(jì)方案一旦確定下來，就要重點(diǎn)考慮抗震性能如何實(shí)現(xiàn)，通過大量的計(jì)算和驗(yàn)算得出最佳設(shè)計(jì)方案。

7.1 隔震支座法

隔震支座法是目前使用最多的一種抗震方法。該方法能有效提高橋梁柔性和阻尼，進(jìn)而減輕地震對(duì)橋梁的作用力。具體實(shí)施方法是：使用隔震支座與墩、臺(tái)接觸面，設(shè)計(jì)或者使用新材料，來提高結(jié)構(gòu)的柔性及阻尼。通過大量的實(shí)驗(yàn)得出，該方法效果較好，且性能比較穩(wěn)定，可以長期作為橋梁減震方案的選擇。此種方法可以有效降低水平地震力對(duì)于橋梁的作用，徹底減輕地震對(duì)橋梁的傷害，保證橋梁安全運(yùn)行。

7.2 通過隔震支座和阻尼器結(jié)合來提高抗震性

隔震支座的抗震性能極佳，提高橋梁抗震性除了增加隔震支座，還可以通過提高阻尼來實(shí)現(xiàn)，兩者可以結(jié)合在一起，共同實(shí)提高橋梁的抗震性能。隔震支座和阻尼器可以保證橋梁受地震影響塑性變形量增加，有效吸收地震能量，將對(duì)橋梁的損害降到最低，從而徹底提高橋梁的抗震性能。

8 結(jié)語

橋梁設(shè)計(jì)中，為了保證其結(jié)構(gòu)的完整性，必須重點(diǎn)考慮橋梁的可靠性、安全性和功能性。本文以某橋梁為案例，經(jīng)過對(duì)橋梁抗震性能的嚴(yán)密計(jì)算和驗(yàn)算，得出具有最佳抗震性能的結(jié)構(gòu)形式，提前預(yù)測(cè)遭遇地震后可能會(huì)發(fā)生的最壞狀況，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算、結(jié)構(gòu)選擇上進(jìn)行深入分析設(shè)計(jì)研究，通過大量的試驗(yàn)，總結(jié)出一些實(shí)際可行的橋梁抗震措施，以保證橋梁遭遇地震后不被損壞。

【1】李翠茹.地震對(duì)橋梁的影響及橋梁抗震措施分析[J].華東公路，2013 (3)：65-67.

【2】仲照紅.簡(jiǎn)析提高橋梁抗震能力的設(shè)計(jì)方法[J].城市道橋與防洪，2013(8)：132-133.

【3】賈啟彬.論橋梁抗震的重要性[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2012(16)：142.

【4】高建平.論橋梁抗震模型建立分析的目的[J].科學(xué)之友，2011(3)：63.

Study on Seismic Design of Highway Bridge Structure

GUODi-jin
（GanzhouZhongxinHighwayEngineeringSupervisionCo.Ltd.，Ganzhou341000，China)

Highway Bridge as an important traffic structure, the earthquake resistance and safety and people's life, therefore, to theconcretebridge asan example,analysisof seismicdesign, improve thequalityof thebridge, toprovide reference forbridge designers.

highway;bridge;structure;earthquakeresistance;design

U411+.3

A

1007-9467（2016）12-0093-02

2016-09-20

郭迪金（1968～），男，江西贛州人，工程師，從事公路橋梁設(shè)計(jì)及監(jiān)理研究。