橋梁工程抗震設計分析

邱琴忠

（甘肅建筑職業技術學院,甘肅　蘭州 730050）

0　引言

隨著我國經濟的快速發展，橋梁建設速度不斷加快。由于我國處于地震多發地帶，因此在很多橋梁工程設計中需要預先考慮到橋梁的抗震性能。這便要求相關工程建設單位了解地震對橋梁的破壞作用，同時在具體的橋梁抗震設計中結合地震波的傳遞特征進行抗震合理設計，提高橋梁安全性。

1　地震對橋梁的破壞

地震發生后，地基首先受到沖擊。如果橋梁施工區域的地基土質松軟，那么受到的破壞性往往較大。因此，橋梁工程中對地基的選擇有較高的要求。

受到地震波的影響后，橋梁的橋墩墩身會發生偏移，支座錨栓會被剪斷，嚴重時還可能出現落梁現象[1-3]。受地震持續作用，橋墩臺身會逐漸斷裂，出現橋梁坍塌的可能。同時，沙土在河水沖刷下也會導致橋墩下沉。

橋梁支座是橋梁抗震的重點，支座破壞能夠消除大部分地震力對橋梁的破壞，阻止地震力傳遞到墩臺，這樣便能夠有效避免橋梁的主體結構受到進一步的損害。但同時支座破壞也會導致落梁的情況發生。

橋梁下部地震破壞常表現為墩柱混凝土開裂、鋼筋裸露及彎曲等，從而使橋梁產生很大的塑形變形。出現這一地震病害的原因同橋梁施工是縱向鋼筋搭接不牢、鋼筋連接處焊接不牢有關。而橋梁框架地震破壞主要包括蓋梁破壞、墩柱破壞以及節點破壞等，這些地震損害容易導致橋臺傾斜以及臺身同上部結構碰撞破壞。

2　橋梁工程中的抗震設計要點

2.1　依照抗震要求做好橋梁各結構的設計

2.1.1橋梁結構計算

某大橋立面布置圖如圖1所示。進行抗震設計時，結合實際抗震需求對橋梁整體結構進行計算。主要取8號、9號和10號橋墩進行計算，橋面總寬為11.75 m，車道的凈寬為10.5 m，8號橋墩的高度為47.5 m。因為各個墩柱的高度存在差異，并且橋梁上部結構因溫度的變化以及汽車制動力等因素對橋梁產生的水平力在橋梁中不會出現平均分配的情況，所以需要模擬邊界條件。對于8、9、10號橋墩組成的一聯橋梁，約束其豎向位移，水平可自由滑動，約束出6個自由度，利用參數模擬橋墩蓋梁與T梁固定支座的彈性連接，約束x、y、z、rx、rz 5個自由度，T梁可繞ry自由轉動。

2.1.2支座剛硬度設計

根據橋梁抗震要求，該橋梁的支座為30 m簡支T梁，規格為GJZ300×450×63的普通橡膠支座。

支座抗壓需求：s=11.25，E=1×（66×8.95-162）=428.7×1.1=471.5 MPa，G=1.0 MPa。

圖1　某橋梁立面布置示意圖(單位：cm)

單一支座的抗壓強度為：300×450×30×471.5=1 909 575 kN/m。

因為一個橋墩頂部均有兩排支座，橫向一排包含5個支座，單個蓋梁上設有兩排橫向的支座，支座的剛度主要按照式（1）進行計算：

式（1）中A為一個支座的平面面積，平面面積主要為普通橡膠支座的大小；G為橡膠支座剪切彈性模量，取正常值1.0 MPa；t為支座橡膠層的具體厚度，且t=45 mm。將已知數據帶入到式中，能夠得出單一支座抗剪強度為：kz=3 000 kN/m。

2.1.3溫度以及收縮徐變力

橋梁收縮徐變對橋梁結構的影響主要是借助收縮徐變函數進行判斷。在賦予相應的材料之后，依照橋梁建筑施工階段模擬收縮徐變對橋梁強度的影響。依照現代公路橋梁的設計要求以及橋梁界面溫度梯度作用，整體升溫按照25℃考慮，整體降溫按照-20℃考慮。

2.2　地震荷載作用分析

本次橋梁工程項目所在地區的震動峰值加速度為0.10 g，因此橋梁的抗震設計程度為Ⅶ度，抗震設計以2008年實施的GB18306-2001《中國地震動參數區劃圖》[4]為參照標準。該項目地震動峰值加速度為0.10 g，地震的震動反應譜特征周期為0.45 s，依照規定，公路沿線的橋梁均要提高一度抗震，因此需要增加縱向及橫向的擋塊，加裝橡膠墊片，通過適當增加集中部位的鋼筋來提升橋梁結構的延性強度。

本次橋梁項目位于7度區高速公路，橋梁的規格為B類。橋梁所在場地按照三類計算，依照相應的設計，地震的基本烈度設為7度、地震動峰值加速度0.10 g、場地地震動反應譜特征周期為0.45 s。由此可以確定橋梁的具體類型，橋梁墩高確定為57.5 m，這一高度已經超過了規定30 m的高度，屬于非規則橋梁，因此需要對橋梁抗震要求進行分析。抗震要求可以使用mm/TH法進行設計，具體如圖2和圖3所示。

圖2　設計反應譜

圖3　地震影響系數曲線

在模型中進行質量轉換，降二期荷載轉換為質量。

2.3　橋墩長度計算

當前公路橋梁多為多跨簡支梁以及連續梁結構，在計算橋墩承載力時，橋墩取極端長度為l0的值。在實際的多跨簡支橋梁以及連續橋梁的橋墩中，在水平力作用下墩頂常常會出現一定的水平位移，故橋墩計算長度系數β一般在1～2的范圍以內。經過分析發現，β常常受到諸多因素的影響，比如橋墩高度、剛性強度、支座的特性以及上下部構造對墩柱約束等。因此，工程項目中β的取值常常與規定值有較大的出入，這也會導致其橋梁承載力的計算比較保守[5]。借助三維有限元軟件則能夠很好的模擬出橋梁結構空間受力基本特征，通過對實際施工過程及使用狀態進行相關模擬，得出與實際要求較為接近的橋梁結構空間受力情況。通過對橋梁結構施工過程以及具體使用情況進行相應模擬，使得橋梁結構計算上得到了一定優化，滿足相關的橋梁設計需求，同時橋梁的抗震能力得到顯著提升。下面主要介紹使用有限元軟件得出β值，進而提升橋梁長度l0的精度。

表1　構件截面計算結果

對于等直徑的橋墩，墩身的抗推剛度需要滿足要求：K=3EI/H3；

有限元軟件中構建的抗推剛度要求為：K=力/位移 =F/δ（kN/m）。

對于橋梁結構而言，上部結構在具體施工開始前，將單獨一個橋墩的抗推剛度標記為K墩；上部結構施工完成后，因為一聯橋梁的各個橋墩存在彈性連接，就等同于在橋墩的墩頂加上了彈性抗推剛度K彈，這便可以得出一聯橋梁中的抗推剛度為K合=K墩+K彈。如果忽略掉墩頂彈性約束，則有K合=K墩；但如果墩頂的彈性約束不可忽略，且彈性約束K彈為無窮大，則相當于墩頂鉸接。同時依照相關判斷，對墩頂的軸向受壓臨界值進行判斷便可以得出墩柱計算長度系數β。

墩頂的軸向作用力如果為P，臨界荷載為Pcr，穩定方程則為：

依照式（2）就能夠得出墩柱計算長度l0或者計算長度系數β。其中式（2）中的u為壓桿計算長度相關參數，EI是墩柱抗彎強度，H為墩柱高同支座的和。

2.4　單墩抗拒計算設計結果

橋梁抗震設計需要進行單墩柱承載力極限的計算，正常的使用極限需組合最大的彎矩對應組合：

1.2×恒載+0.7/1.264×活載+0.7×制動力+0.75×風荷載+1×溫度降溫+0.8×溫度梯度升（汽車沖擊系數0.264）

墩柱正截面承載能力按城市橋梁抗震設計規范（CJJ166-2001）中第5.3.6條進行。

墩柱材料包括：（1）混凝土 C30；（2）主筋H RB400。構件截面計算結果見表1。

3　結語

為了有效提高橋梁的質量及安全性，相關設計人員需要掌握橋梁抗震設計方法，根據實際情況設計出符合要求的橋梁，加強橋梁抗震設計，為人們的生活提供保障。