中小跨徑公路橋梁抗震設計理念及方法

鐘佩軒

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國經濟發展水平不斷提高，對于道路交通等基礎設施的建設不斷完善，公路橋梁工程項目在設計和施工建設中，需要前期做好設計，保證結構穩定性，提高工程施工的安全性和可靠性。中小跨徑公路橋梁在實施應用中，由于跨度范圍有限，更加容易受到地震的破壞，結合汶川地震公路橋梁等基礎工程設施的破壞程度來看，沒有進行抗震設計的中小跨徑公路橋梁在遭受地震災害時，結構破壞嚴重，因地震造成的公路橋梁裂縫、變形等問題，嚴重影響其后期使用。關于中小跨徑公路橋梁抗震設計的理念、原則，以及有效的技術、方法等，均需要從工程實踐的角度展開綜合化的研究與探討[1]。

1 中小跨徑公路橋梁抗震設計要求

在中小跨徑公路橋梁設計中，要重點進行抗震設計。根據實踐研究發現，地震對公路橋梁工程的破壞性大，嚴重影響其工程穩定性和使用安全性。一些中小跨徑公路橋梁在設計中沒有考慮到抗震設計，在地震災害中，出現的破碎、裂紋、裂縫以及變形問題極為嚴重，給行人以及車輛造成安全威脅。作為國家建設和城市發展的重要基礎設施，公路橋梁工程項目在設計階段，需要對其結構特點、抗震要求以及質量標準等進行綜合性的研究，結合中小跨徑公路橋梁抗震設計的理念和技術、方法等，提高中小跨徑公路橋梁抗震設計水平，保證公路橋梁工程質量和結構穩定性，消除其抗震隱患，延長使用壽命。研究中小跨徑公路橋梁抗震設計理念和設計方法，對于維護人們的出行安全、奠定經濟發展基礎等具有重要的影響作用。因此要求中小跨徑公路橋梁抗震設計中要選用適用的設計方法，對每個環節的設計都要保證安全指標和工程結構的抗震能力、安全性能[2]。

2 中小跨徑公路橋梁抗震設計理念

2.1 設計目標

中小跨徑公路橋梁在項目設計的過程中，要綜合其工程結構特點和適用要求，對抗震設計的基本目標和目的等予以明確。中小跨徑公路橋梁抗震設計要遵循“小震不壞”“中震可修”“大震不倒”的設計理念，但是這三者之間并沒有統一的界定標準，這就導致中小跨徑公路橋梁抗震設計缺乏準確依據，從而直接影響到工程設計的效果。在確定中小跨徑公路橋梁設計目標時，要對不同水準和等級作用下的中小跨徑公路橋梁容易受到地震破壞的部位、程度進行分析，對中小跨徑公路橋梁的承臺、擋塊、樁基礎、橋墩以及支座的結構特點、抗震目標分別進行分析，確定其在抗震設計中的延性指標和抗震強度，為整體中小跨徑公路橋梁抗震設計提供參照依據。

2.2 傳力部分

我國在中小跨徑公路橋梁抗震設計中，研究基礎是圍繞美國和日本等發達國家的設計規范，但同時也在此基礎上對設計規范內容作適當的延伸，形成新的設計理念。由于國外的公路橋梁抗震設計規范和我國的實際情況并不完全相符，因而抗震設計效果方面并不理想，就中小跨徑公路橋梁抗震設計的傳力途徑和傳力結構分析來看，我國與美國、日本采用的設計理念也不同。美國采用的是框架支撐結構設計，日本采用的是鋼支撐結構設計，而我國則是采用板式橡膠支座設計，不同的設計方法和工程結構安排，對于中小跨徑公路橋梁抗震效果和性能影響不同。因而，要堅持實事求是和取長補短的原則，更新設計理念、完善設計內容，不斷提高中小跨徑公路橋梁抗震設計的合理性和適用性[3]。

2.3 地震參數

對于中小跨徑公路橋梁抗震設計，應對地震參數進行合理的劃分。這是因為在我國的不同地區，地震動參數相對較低，這就導致在抗震設計中沒有考慮到大震情況，使中小跨徑公路橋梁抗震設計考慮的抗震等級不夠全面。例如我國的汶川地區僅僅是屬于中震水平，但是發生汶川大地震后，大量建筑倒塌、損毀多是因為早期抗震參數考慮不當[4]。中小跨徑公路橋梁抗震設計對于大震情況沒有考慮到，導致中小跨徑公路橋梁抗震性能大大下降，針對這種情況，要及時轉變傳統的設計理念，對中小跨徑公路橋梁地震危險性進行綜合分析，依據抗震結構、地震烈度等研究內容，合理劃分地震參數，使中小跨徑公路橋梁抗震設計理念更加先進和具有前瞻性。

3 中小跨徑公路橋梁抗震設計方法

3.1 抗震計算

中小跨徑公路橋梁工程項目在結構設計中，一般是采用連續梁結構，橋梁的中部墩柱是固定的盆式支座，其他的墩柱則是采用單向盆式支座和雙向盆式支座[5]。在這種一聯的結構中，中小跨徑公路橋梁同時受到橫向地震作用力和縱向地震作用力，這兩種作用力都是順橋梁方向的，并且是分別由聯內各橋墩和固定支座橋墩承受的。在結構設計的過程中，可以根據《公路橋梁抗震設計細則》的內容和方法，采用反應譜方法，對中小跨徑公路橋梁抗震設計的計算公式進行簡化，得出計算結果后再復核。根據抗震計算，對地震參數予以確定，例如設計B類抗震設防類別，地震烈度為8級，而場地為Ⅲ類建筑場地，在這種情況下，場地系數為1.2、地震周期0.55 s，加速度峰值為0.2 g，抗震重要系數0.43。

3.2 計算結構

中小跨徑公路橋梁抗震設計涉及到的知識點內容較多，且在參數設計中，對抗震計算的結構部分也要進行正確的選取[6]。中小跨徑公路橋梁工程結構中包含的子結構部分較多，橋梁伸縮縫是結構分界點，在抗震計算中，不需要進行全部計算，僅需要對其中具有代表性的結構部分進行抗震分析、計算結果。抗震結構計算中，單柱墩作為設計分析的主要對象，根據計算公式，支座上部結構受橫向地震作用力影響、頂面受縱向地震作用力影響，據此可以確定水平位移。在結構計算中，還可以根據彈性樁作用效應和水平位移計算公式，得出橫橋向地震作用和順橋向地震效應，綜合永久效應，對橋墩在彈性狀態下的結構強度值進行計算，并對最后的墩柱縱筋配置需求量予以確定。

3.3 構件設計

中小跨徑公路橋梁抗震設計中的另一項重要內容就是構件設計。在地震作用中，承受地震作用的是中小跨徑公路橋梁的墩柱和樁基礎，在對這些主要的構件部分進行強度設計時要分別進行驗算。驗證樁基礎強度，根據E1地震作用計算中小跨徑公路橋梁配筋率，按照最不利軸力和材料標準強度，對中小跨徑公路橋梁兩個不同方向的極限彎矩值進行計算，根據對應的剪力值和軸力值，設計樁基礎組合直徑，驗算彈性狀態下的樁基礎承載能力[7]。中小跨徑公路橋梁抗震設計中對主要構件部分的設計，要使樁基礎能夠滿足豎向荷載要求和強度要求。同時，對E1和E2不同級別地震作用下中小跨徑公路橋梁延性進行設計，計算配筋率，完成對墩柱塑性鉸區的箍筋配置，并在此基礎上驗算中小跨徑公路橋梁墩柱抗剪強度。

3.4 墩柱截面

中小跨徑公路橋梁的墩柱截面要合理選擇，這是因為墩柱截面對抗震能力的影響較大，保持墩柱高墩和上部結構一致，可以選擇四個不同墩柱截面尺寸[8]。在篇幅有限的情況下，根據中小跨徑公路橋梁的墩高、橋寬以及跨徑結構可以對橋梁結構進行確定，選擇較大的墩柱截面，墩柱的縱向配筋會增大，彎矩值也會增加，在實際的設計中，也要相應地增加中小跨徑公路橋梁基礎構件尺寸。而選擇較小的中小跨徑公路橋梁墩柱截面時，由于抗彎強度不夠，因而要通過增加截面配筋率的方法，彌補抗彎不足問題。中小跨徑公路橋梁抗震設計中，要選擇合理的墩柱截面，可以通過假定驗算的方法，對墩柱截面面積大小進行計算，保證最終選擇的截面大小合適。

4 結語

地震災害的監測和預防難度較大，且地震災害破壞性極大，給人們生命安全和財產等造成嚴重損失。地震中公路橋梁等工程設施由于早期抗震設計不當，導致擋塊破碎、結構裂縫以及支座變形問題嚴重。加強對中小跨徑公路橋梁抗震設計理念和方法的研究，對于提高中小跨徑公路橋梁設計水平和工程結構質量等具有重要作用。中小跨徑公路橋梁抗震設計，要明確設計目標，要遵循“小震不壞”和“中震可修”以及“大震不倒”的設計理念，這是對中小跨徑公路橋梁抗震等級以及抗震能力方面的要求。在中小跨徑公路橋梁抗震設計的過程中，相關人員還要搜集更多的調查資料和研究資料，對中小跨徑公路橋梁結構設計的細節部分進行重點分析，保證中小跨徑公路橋梁抗震設計的合理性和科學性。綜合運用工程學、結構力學以及物理學的相關知識內容，在中小跨徑公路橋梁抗震設計中，對各參數內容予以明確，并對中小跨徑公路橋梁抗震結構進行計算，完成對中小跨徑公路橋梁主要構件部分的設計。