中小跨徑公路橋梁抗震設計理念及方法

◎ 盧宇波　廣州市恒津路橋設計咨詢有限公司

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中小跨徑公路橋梁抗震設計理念及方法

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摘要：公路橋梁是我國重要的基礎設施，對人們出行安全、社會經濟發展有著極大影響。在中小跨徑公路橋梁設計中，抗震設計是一項十分重要的內容，直接決定著公路橋梁的安全性。因此，提高公路橋梁抗震設計有著重要意義。文章對中小跨徑公路橋梁的設計理論及方法展開了討論，有效消除抗震安全隱患，提高公路橋梁的質量，延長使用壽命。

關鍵詞：公路橋梁 抗震設計 地震 方法

研究地震對公路橋梁安全有著極大威脅。如果公路橋梁抗震設計不足，就會造成公路橋梁的裂縫、擋塊破碎、支座變形等危害，對人們生命財產造成巨大威脅。以2008年汶川地震為例，被毀壞了高速公路、國省干線、鄉村公路以及橋梁分別有24條、161條、8618條和6140座，僅交通設施經濟損失就超過670億。因此，加強公路橋梁抗震設計十分必要，本文對此展開了研究。

1.中小跨徑公路橋梁設計理念

我國當前公路橋梁在抗震方面的規范主要是《公路橋梁抗震設計細則》JTG/T B02_01-2008（以下簡稱《細則》），這是以美、日等發達國家橋梁設計規范為基礎，圍繞先進延性抗震設計、能力保護理念形成的。但在一些方面與我國實際情況不符，影響了公路橋梁抗震設計效果。

1.1中小跨橋梁傳力方面

我國、美國和日本采用的分別是板式橡膠支座、框架式支座以和鋼支撐，實際情況之間存在差異，傳力結構體系、傳力途徑方面都有所不同。直接采用國外規范，導致設計過程中出現了問題。

1.2抗震設計目標方面

我國設定的目標是“小震不壞、中震可修、大震不倒”，并沒有嚴格的界定標準，導致公路橋梁設計沒有準確依據，影響了抗震設計效果。對此，需要對不同水準地震作用下，公路橋梁各個部位、構建制定明確的抗震目標，包括樁基礎、承臺、橋墩、支座以及擋塊的強度、延性指標等，為公路橋梁抗震設計提供參考。

1.3地震參數劃分方面

許多地區的地震動參數是相對較低的，如汶川就僅為中震水平。在設計時，沒有考慮大震情況，也會降低公路橋梁抗震性能。對此，在公路橋梁抗震設計中，需要從橋梁重要性、地震危險性方面來設計抗震構造，而不是依據地震烈度。

2.公路橋梁的抗震方法

以某高速公路為例，此高速公路位于地震斷裂帶上，需要設計較高的抗震設防等級，其抗震設計過程與方法如下：

2.1抗震設計過程

（1）確定計算方法。此公路橋梁上部采取連續梁結構，中部墩柱是固定盆式支座，其余墩柱是單、雙向的盆式支座。因此，在一聯結構中，公路橋梁受到的橫向、縱向（順橋向）地震作用力分別是由聯內各橋墩、固定支座墩承受的。可以采取《細則》中反應譜方法，對計算公式進行簡化后，得到計算結果并進行復核。

（2）確定地震參數。就本公路橋梁而言，抗震設防類別設計為B類，烈度8級。場地是Ⅲ類建筑場地，場地系數1.2，地震周期0.55s，抗震重要性系數是0.43，加速度峰值0.2g。

（3）選取計算結構。本公路橋梁包括眾多的子結構，其分界點是伸縮縫。在抗震設計時，無需全部計算。可從中選擇具有代表性的結構，對其進行抗震分析，得到抗震設計結果。

（4）結構抗震計算。選擇單柱墩作為抗震設計分析對象，根據簡化后的計算公式，可以得到支座頂面受到的縱向地震作用力、上部結構受到的橫向地震作用力，從而確定各自對應的水平位移；再根據彈性樁水平位移與作用效應計算公式，可以計算出順橋向、橫橋向的地震作用效應。結合永久作用效應，可以計算出彈性狀態下橋墩需要達到的強度值，最終確定墩柱需要的縱筋配置。

（5）主要構件設計。公路橋梁抗震中承受地震作用的主要構件是樁基礎和墩柱，需要分別對其強度加以驗算。其中，在樁基礎強度驗證中，以E1地震作用為基礎，算出配筋率。在材料標準強度、最不利軸力條件下，計算橋梁兩個方向的極限彎矩值。結合對應的軸力值、剪力值，通過對樁基礎直徑、組合的設計，使樁基礎處于彈性狀態，驗算其承載能力。在本高速公路選擇的代表性計算結構中，要使樁基礎同時滿足強度和豎向荷載要求。根據豎向荷載值，13m、17m的主線橋梁和9.5m、8m的匝道橋梁，應分別選用3樁以上群樁基礎、雙樁基礎，然后根據上述方法驗證樁基礎強度值。如果有不滿足的情況，需要適當增加樁徑或配筋率。在墩柱抗剪強度驗算中，以E1地震作用下進行彈性設計，E2地震作用下進行延性設計，并對蓋梁、墩柱、基礎等進行能力保護設計，算出配筋率，計算橋梁兩個方向的極限彎矩值。結合對應的剪力值，對墩柱塑性鉸區域進行箍筋配置，根據《細則》對墩柱抗剪強度進行驗算。

表1　抗震計算結果

2.2抗震設計方法

（1）做好墩柱截面的選擇。墩柱截面與其抗震能力之間有著密切關系。在保持上部結構、墩柱高墩一致條件下，分別選取4個不同截面尺寸，其對于E1的抗震結果如表1所示，由于篇幅有限，對于E2地震作用下的延性設計，這里就不概述了。從表1中可知，對于橋寬、墩高和跨徑結構確定的橋梁，若是選擇大截面，會增加墩柱縱向配筋，彎矩值也會相應增加，基礎構件的尺寸也需要相應增大；如果選擇小截面，抗彎強度可能不足，需要不斷提高截面配筋率。因此，過小或過大的截面都是不合適的。需要通過假定驗算，選擇合適的墩柱截面。

（2）在固定支座墩選擇上，對于一聯橋梁，特別是與橋臺相連的那一聯，固定支座墩不宜選用矮墩。其原因是矮墩剛度較大，并不利于抗震。

（3）在邊梁梁端設計上，要使其與墩柱邊緣保持足夠距離。以免在地震發生時，橋梁出現縱向落梁問題。

（4）在橋梁上部結構與橋墩連接部位，需要采取鋼筋混凝土橫向限位擋塊設計。在地震發生時，可以起到支撐作用， 避免橫向位移過大而發生落梁。

（5）在單柱墩底部的塑性鉸區，由于其是箍筋加密區，在長度設計上，需要按照墩柱截面的長邊尺寸或者墩柱高的1/5來選取，從兩個值中選擇較大的一個作為加密區長度。加密箍筋的間距以10cm為宜，鋼筋的直徑、肢數需要通過驗算墩柱抗剪強度來確定。

（6）在承臺與獨柱墩下結點的連接部位，需要使墩柱垂直配筋、橫向箍筋保持連續，以免地震作用破壞薄弱環節。在設計時，需要將墩底的縱向墩柱鋼筋，直接延伸到承臺底部。加密區的箍筋也需要延伸至承臺中，深入長度要超過0.5m或者墩柱截面長邊尺寸的 50%。

3.結語

綜上所述，近些年來，隨著我國社會經濟的不斷發展，人們對交通運輸的需求不斷增加，公路橋梁工程越來越多，公路橋梁安全成為了人們關心的重點內容。公路橋梁設計是其安全的決定性因素，抗震作為公路橋梁安全的一項重要指標，需要在設計中加強對抗震的設計，以提高公路橋梁的抗震能力。我國公路橋梁抗震設計借鑒于西方發達國家，但受國情影響，存在許多不適宜之處，在設計時，需要從公路橋梁實際情況入手，按照固定的步驟，做好每一環節的設計。并著重加強薄弱部位的抗震設計，保障公路橋梁整體的安全性。

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