高陡邊坡橋梁高墩設計與施工技術分析

張瑞德

摘 要：高速公路快速向山區發展，產生許多高墩大跨橋梁，山區橋梁如果遭受自然災害，修復十分困難，所以，要求橋墩結構具有良好的施工質量，可較好抵抗自然災害。文章分析了高陡邊坡橋梁高墩設計與施工技術，從邊坡穩定性及地震易損性分析入手，為相關研究提供借鑒，促使當前研究取得實質性進展。

關鍵詞：橋梁；高墩；設計；施工

近年來，橋梁橋墩高度逐漸增加，上部結構變得更輕，穩定性引起的結構安全問題開始出現。國內外研究可見，對橋墩施工質量、受力性能及抗震防災能力等，當前缺少快速有效評估方法，無法判斷工作狀態是否在設計要求內。所以，分析對樁基作用下高陡邊坡的穩定性十分重要。對橋梁抗震性能評估與加固研究、工程實踐，我國在這方面較為薄弱，缺少針對性的橋梁抗震性能檢測與評價手段。高墩大跨橋梁在地震作用下比低墩橋梁的非線性更加明顯，國內外在高橋墩抗震設計上存有缺陷，研究高橋墩抗震性能尤為關鍵。

1 利用有限元法分析邊坡穩定性

1.1 有限元法

計算機技術涌現，有限元理論不斷豐富，邊坡穩定分析進入新起點。有限元法本質思想，離散聯系體，轉變成有限數量的大單元體集合，單元體間只通過節點進行連接與制約，以變換的結構體系替換原來真實連續體，經過標準結構分析處理后，化數學問題為求解線性方程組。結構有限元分析往往被分成以下幾個結構過程：單元、單元特性分析、集合成整體、數值求解。材料應力應變關系、開挖施工過程對邊坡穩定的影響等均是有限元考慮對象。結合土的非線性應力-應變關系，借助有限單元法，獲得各單元應力應變，根據各強度指標，明確破壞區所處位置及擴展情況。

1.2 強度屈服準則

常規對邊坡穩定分析時，極限平衡方程采用“摩爾-庫倫屈服準則”，穩定系數定義：滑動面抗滑力和下滑力的比值。

1.3 明確邊坡穩定性安全系數

以有限元分析邊坡穩定時，可采用減低巖土材料抗剪強度的方式，促使結構達到不穩定狀態，這時折減系數=邊坡穩定安全系數。從實質意義上講，有限元強度折減法類似于傳統方法。

2 對地震易損性的研究

2.1 經驗易損性曲線

對收集的地震震害資料，以經驗統計方法評估結構易損性，獲得結構易損性曲線。在1995年神戶地震觀測橋梁損傷數據基礎上，構建通過兩參數對數正態分布函數表征經驗易損性曲線，以最大概率評估參數。結合能力與需求形成了認識與隨機方面不確定的易損性曲線。國內研究者統計唐山大地震中272座鐵路橋梁損傷率，整理分類海城和唐山大地震中受破壞的56座橋梁按結構構造。

2.2 理論易損曲線

理論易損性曲線，計算、分析橋梁地震反應而獲得，該方法尤其適用僅有有限震害資料建筑物易的損性評估抑或無地震震害資料。理論易損性分析包含三個參數：結構抗震性的地震需求、結構抗震能力、地震強度指標。當前常用的構造易損性曲線方法包括非線性靜力分析法、非線性時程分析法、反應譜分析法。

其中，能力譜方法，受地震荷載作用，該方法借助簡單化的非線性方法分析結構，是當前經常用到的非線性靜力分析方法。時程分析法在抗震設計中被稱作“動態設計”。以結構基本運動方程輸入地面加速度記錄，求解積分，繼而獲得整個時間短地震反應，非線性分析結構最可靠，可真實反應結構在地震作用下引起的響應。在理論易損性分析方法中，反應譜分析法簡單有效。研究將橋墩模擬成單自由度體系，利用反應譜分析法嘗試分析高速公路上橋梁地震易損性。這種方法粗糙簡單，首次進行了地震易損性分析。

2.3 明確橋梁結構損傷指標

所有結構理論易損性曲線，其劃分結構損傷等級都不可缺少，而劃分結構損傷等級需依靠結構損傷指標，先明確結構破壞準則，才能確定損傷指標。破壞準則，當前破壞準則包括許多強度準則，歸納起來有下述幾種：強度破壞準則、變形破壞準則、能量破壞準則能量、變形和能量雙重破壞準則、基于性能的破壞準則。

（1）強度破壞準則，強度破壞準則是最傳統也是應用較為廣泛的破壞準則，在容許應力法或者承載能力極限狀態法基礎上形成的結構設計均要使用這個準則。研究工程抗震前期，若地震力為擬靜力荷載，作用于結構。地震力大小和結構強度決定結構安全性能。強度破壞準則簡單、直觀、合理。進行結構抗震設計時，因為經濟因素，往往允許預期強震動作用引起的結構彈塑性變形，受強震動作用，結構無強度儲備，強度破壞準則不適用，同時要考慮變形強度準則。（2）基于性能的破壞準則，上述結構地震破壞準則，均和防止倒塌破壞要求相對應。近些年國內外地震教訓慘重，受地震大范圍破壞的城市橋梁雖少，但可能引發較嚴重社會后果。考慮這點，美國學者在性能基礎上提出抗震設計思想。（3）變形破壞準則，變形強度屈服準則中規定，允許最大變形破壞界限值，結構最大位移反應不超過限值。當前各國橋梁抗震設計規范，大體不同程度上采用變形強度準則。（4）能量破壞準則，當前形成的不同抗震設計技術與方法，一定程度上以能量概念進行闡述。但以量概念構建的破壞準則應用在當前實踐中尚有困難。（5）變形和能量雙重破壞準則，結構破壞由變形與累積耗能共同形成。對鋼筋混凝土結構，僅從從理論層面看，相比變形破壞準則，這種準則可能是較為合理的破壞準則，同時兼顧結構最大變形效應與累計損傷效應。

此外，損傷狀態和損傷指標，現階段我國新建筑規范將遭受地震的破壞結構分為“基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、倒塌”共五個等級。損傷指標的確定，鋼筋混凝土延性構件中的非彈性變形能力，源于塑性鉸區截面的塑性轉動能力，在構件曲率延性能力基礎上形成。利用橋墩彎矩-曲率，經過分析，獲得塑性鉸區曲率延性能力。地震波的輸入，地震隨機性強，輸入各種地震波，獲得地震響應結果差別較大。地震三要素包括峰值、頻譜特性、地震動持時。但國內通常以設防烈度作抗震設防，同時結合已有地震信息，分析地震危險性，獲得地震危險性分析結果，可輕松獲得地面加速度的概率分布。

3 結語

高陡邊坡橋梁高墩施工多見于公路橋梁建設中，是一種常見結構。文章研究了高墩樁基施工中邊坡穩定性及易損性能的橋墩抗震評估。橋梁高墩設計施工要結合施工特點，分析控制施工問題，確保良好的橋墩施工水平與質量。筆者初步分析了高墩大跨橋梁中高墩設計與施工技術，因為能力與學識限制，文中探討尚需深入研究。

參考文獻

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