山區高墩橋梁抗震設計

宣秀珍

（江蘇緯信工程咨詢有限公司 江蘇南京 210014）

我國是一個面積遼闊的大國，國內地形條件復雜，一些省份山區較多，建設公路時需要建造跨越深溝或河谷的橋梁，一些橋梁的橋墩高度高達上百米，再加上一些地區是地震受災重區，高墩橋梁很容易受到破壞。為此，對山區高墩橋梁的抗震設計進行研究分析具有重要的意義，不僅能提高橋墩穩定性，還能優化工程效益。

1 山區高墩橋梁抗震概念設計

圍繞著以地震災害、工程經驗等為依據總結出的抗震基本設計原則、設計思想為中心進行橋梁結構總體布置，以及確定細節構造的過程就是抗震概念設計。抗震概念設計的理論基礎是工程概念，設計過程中分析判斷一些很難通過計算或規范解決的問題時需要采用符合工程本質和客觀規律的方法，并采取有針對性的措施實現對設計對象的宏觀調控。就目前而言，人類在地震這方面掌握的知識仍然很少，發現的地震及結構受地震作用的規律很少，這使得結構抗震設計無法制定具體的規定。隨著人們抗震經驗的增長，人們發現了一個重要的原則，即概念設計對抗震設計的科學性、合理性具有決定性的影響作用，其在實際工程應用中遠比計算設計更為重要。抗震概念設計主要由工程結構總體布置及細部構造組成，而橋梁的抗震概念設計則包括橋梁位置選擇、橋型方案等基本內容及橋梁上下部結構型式選擇、連接、配筋方式等細部構造兩部分內容。表1概括了橋梁抗震設計中橋位選擇、橋梁結構選型、橋墩選型方面應遵循的大體原則。

表1 橋梁抗震設計原則

1.1 橋位選擇

橋位選擇是山區高墩橋梁抗震設計的一項重要內容，對橋的穩定性具有十分重要的影響。橋位選擇的總體原則就是選擇對抗震有利的地段，如在附近無活動性斷裂且地質構造較穩定的場地建設橋梁，盡可能地使橋梁遠離黏性土層、液化土層、底層嚴重不均勻的區域，這些地質結構軟弱的區域受到地震作用容易出現滑坡、崩塌現象從而改變河流流向，進而對岸坡穩定性及橋梁墩臺安全性造成嚴重的影響。在山區高墩橋梁的抗震設計過程中，橋的許多參數，如橋寬、橋長等，都會受到地理條件及其他因素的限制而無法調整。此時，根據實際需求及相關標準選擇合適的橋梁上、下部結構就顯得尤為重要。橋梁上、下部結構是橋梁結構抗震性能的主要影響因素。山區高墩橋梁通常設置在平豎曲線半徑較小，彎道較多的地方，而橋梁的型式多為高墩曲線橋，結構復雜，具有明顯的不規則性。為此，山區高墩橋梁抗震設計中橋梁型式的選擇具有重要作用。

1.2 橋梁結構選型

在山區高墩橋梁抗震設計中，橋梁結構型式選擇最先考慮的就是該構型能否滿足抗震要求。橋梁上部優先選擇抗震性能好的構型，如連續梁、連續剛構等，同時注意盡量避免大跨徑，以中小跨徑代替。此外，橋梁上部結構設計中，結構可通過設置多個制動墩將地震作用力分散，從而增強結構的抗震能力，制動墩的基礎應進行適當的強化。橋梁下部結構的設計則應綜合考慮柔度、承載力、耐久性、結構穩定性等多個因素，實現大震不倒、中震可修、小震不壞。山區高墩橋梁的剛度和質量不平衡問題容易導致橋梁受地震作用后發生較大位移，而導致這一問題的原因主要是山谷兩側山體坡度大，橋梁墩高出現較大差異，導致相鄰橋墩剛度不同。相鄰橋墩剛度不同的橋梁在受地震影響時無法平均分配地震作用力，剛度大的橋墩需要承載更多的力，容易導致剛度扭轉中心出現偏移，從而致使橋梁上、下部結構發生水平轉動，橋梁被破壞的幾率大大增加。為了實現橋梁剛度和質量的平衡，通常會采用等墩高、等跨度、等橋面寬度的設計，但山區地形復雜，給橋梁建設造成了很大的限制，這些設計難以實現。

1.3 橋墩選型

山區橋梁大多是曲線橋梁，具有比較突出的不規則性，受力情況復雜，橋梁的墩高不一致，高墩與矮墩之間的關系對橋梁的抗震能力具有突出的影響。若高墩、矮墩耦合，地震作用時，矮墩受力更大，更易被破壞；若高墩、矮墩不耦合，則墩頂容易發生位移，導致落梁或支座脫落，從而對主梁、伸縮縫造成破壞。為此，橋墩選型對橋梁抗震性能具有重要作用，圖1是一些常見的高墩橋墩，有雙柱墩、T型墩、空心薄壁墩、門架墩，不同墩型特點不同，適用的情況也不同。

圖1 常見高墩橋墩

常規雙柱墩的特點是橫向抗彎剛度較好，縱向抗彎、抗扭剛度較差，主要適用于墩高不超過30m的橋梁。T型墩的特點是各方面抗彎、抗扭剛度都較大，但其橫向截面尺寸小，因此橫向剛度較小，適用于墩高小于40m的橋梁。空心薄壁墩分為等截面和變截面兩種，其橫向剛度大，等截面的空心薄壁墩適用于墩高小于80m的橋梁，變截面的空心薄壁墩使用高度則可達到100m。門架墩適用于橋梁較寬、墩高低于60m的橋梁。

2 山區高墩橋梁抗震計算方法

（1）擬靜力法。擬靜力法是以動態分布系數、結構重力作用以及地震加速度與重力加速度比值的乘積為依據設計地震力，確定地震作用，并將其作為靜力荷載作用于結構上，進行靜力分析。靜力分析法是一種近似的非線性抗震分析法，被用于計算結構變形。若將此方法用于研究動態結構，擬靜力法的力學模型局限性較明顯。

（2）反應譜法。反應譜法是橋梁抗震設計計算常用方法，可細分為振型分解反應譜法、底部剪力法。反應譜法根據標準反應譜，作用于結構的地震慣性力表示結構受到地震作用時的地面加速度引起的結構自身加速度動力反應，把動力問題轉變為靜力問題，再進行處理。利用反應譜法進行計算時主要考慮不同振型或基本振型的地震反應，而沒有充分考慮到各支座在地震作用下運動的不均一性、差異性。為此，對于結構比較復雜，具有較強不規則性的高墩橋梁，不推薦使用此法進行抗震計算。

（3）時程分析法。時程分析法指的是把地面加速度的地震波直接輸入結構動力方程中求解，從而得到結構振動時的位移的計算方法。當收到強烈地震作用時，高墩橋梁可以出于一種嚴重的非線性彈塑性狀態，在這種情況下使用時程分析法應綜合考慮地震輸入特性、結構彈塑性。時程分析法與擬靜力法、反應譜法相比，在計算設計中具有優勢。

3 山區高墩橋梁抗震策略

山區高墩橋梁抗震不僅需要考慮結構抗震設計，還應采取抗震措施。①梁端至墩、臺帽邊緣的距離應符合相關安全標準，橋臺背墻應適當加強，在梁和橋臺背墻間裝彈性襯墊，緩和沖擊，以減小梁的位移。②采取適當的縱向、橫向限位措施，如螺栓連接等，以減小橋梁位移。此外，還應注重墩柱延性抗震。

4 小結

山區高墩橋梁抗震設計與橋梁整體性能、質量具有直接關系，對橋梁穩定性、安全性具有重要影響作用。橋梁工程建設必須正確認識到橋梁抗震設計的重要意義，以抗震概念設計為原則，采用科學合理的計算方法，采取必要的抗震措施，優化橋梁抗震性能，提高橋梁工程的質量。