基于公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

謝成陽(yáng)，尹 銳

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司成都分公司，四川成都 610037）

0 引言

改革開放幾十年以來，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)取得快速發(fā)展，交通設(shè)施作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施是我國(guó)建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容之一[1]。隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度的不斷加快，我國(guó)每年都需要建設(shè)大量的公路橋梁，以方便人們的出行。但與此同時(shí)，近年來我國(guó)很多地方都發(fā)生了不同等級(jí)的地震，對(duì)公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施造成不同程度的破壞，影響著公路橋梁的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)其構(gòu)成一定威脅[2]。隨著人們生活質(zhì)量的不斷提升，對(duì)交通設(shè)施質(zhì)量的要求越來越高，為了順應(yīng)人們的安全出行要求，現(xiàn)在都要求對(duì)公路橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[3]。設(shè)計(jì)時(shí)需要充分結(jié)合實(shí)際情況，利用科學(xué)的方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算，才能最大限度提升公路橋梁結(jié)構(gòu)的抗震效果，為交通設(shè)施的可靠運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文主要以某工程橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程為案例，結(jié)合筆者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)闡述抗震設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的事項(xiàng)和問題。

1 工程基本情況概述

1.1 工程概況

某公路橋梁工程項(xiàng)目處在地震帶中，有發(fā)生地震災(zāi)害的概率。該公路屬于城市快速路，需要根據(jù)一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用年限為100年。擬采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。基于前期勘查結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，橋梁整體長(zhǎng)度為285m，橋面寬度在9～13m范圍內(nèi)變化。主梁結(jié)構(gòu)基于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，主梁的截面為箱型結(jié)構(gòu)，跨徑方面采用的組合形式為30m+50m+30m。對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程項(xiàng)目，涉及很多方面的專業(yè)知識(shí)和內(nèi)容。尤其是橋梁的跨度相對(duì)較大，不同橋墩由于結(jié)構(gòu)上的差異，導(dǎo)致其剛度也不同。這給計(jì)算過程帶來了一定的難度。具體計(jì)算時(shí)需要以最壞的地震工況條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才能夠確保公路橋梁的運(yùn)行可靠性與安全性。

1.2 計(jì)算結(jié)構(gòu)的選取

（1）計(jì)算方法選擇。為了提升橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，不同位置的墩柱采用不同的結(jié)構(gòu)形式。其中，中間部位的墩柱使用固定支座，兩側(cè)部位的墩柱使用單向或者雙向支座，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)采用這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于，一旦該地區(qū)發(fā)生地震時(shí)，沿著橋梁方向的地震力可以通過固定支座支撐，垂直于橋梁方向的地震力可以通過所有的支座來承擔(dān)。基于此，需要利用《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》中相關(guān)的條款，對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)在順著橋梁方向和垂直橋梁方向上的抗震性能進(jìn)行分析計(jì)算。上述文件中對(duì)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)提出基本的原則，即對(duì)于普通的公路橋梁結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)該確保小震無礙、中震可修、大震不倒。根據(jù)以上原則，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可以從三個(gè)方面著手進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為橋梁結(jié)構(gòu)地址的選擇、橋梁結(jié)構(gòu)材料延展性、整體橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）地震參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)地震為4度基本烈度，地震過程中產(chǎn)生的加速度峰值為0.4G，反應(yīng)譜特征周期為0.64s，橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)規(guī)定為1.1。

（3）結(jié)構(gòu)單元選取。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性設(shè)計(jì)時(shí)，需要將其劃分成為不同單元，針對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)構(gòu)單元的劃分方法有很多種類型，劃分方法不同則會(huì)對(duì)計(jì)算過程和結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。通常情況下大型橋梁可以將伸縮縫作為劃分單元的依據(jù)，即兩條伸縮縫中間的結(jié)構(gòu)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行計(jì)算。表1為本橋梁劃分的代表性結(jié)構(gòu)計(jì)算單元。

表1 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)劃分的主要結(jié)構(gòu)單元

單元長(zhǎng)度、橋梁整體寬度以及墩柱高度等都會(huì)對(duì)抗震計(jì)算過程和結(jié)果產(chǎn)生非常重要的影響，在劃分結(jié)構(gòu)單元時(shí)需要充分考慮這些因素。由于抗震設(shè)計(jì)影響因素較多，所以需要明確主要因素和次要因素。首先根據(jù)主要因素對(duì)橋梁支撐墩柱尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上再考慮其他次要因素，明確墩柱橫截面的尺寸。為了確保橋梁整體結(jié)構(gòu)和支承墩柱之間的協(xié)調(diào)性，在開展設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)將橋梁寬度視為基礎(chǔ)信息參與計(jì)算。

2 橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 樁基礎(chǔ)和墩柱設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。對(duì)于整個(gè)橋梁工程而言，樁基礎(chǔ)是非常重要和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因此在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮多方面因素，在所有因素中最關(guān)鍵的因素是極限彎矩值和剪力值。根據(jù)極限彎矩值可以計(jì)算得到樁基礎(chǔ)需要的配筋方式及其數(shù)量，根據(jù)極限剪力值可以計(jì)算得樁基礎(chǔ)的極限高度大小，根據(jù)樁基礎(chǔ)之間的距離、總的基礎(chǔ)數(shù)量以及橋梁寬度可以計(jì)算得到單個(gè)樁基礎(chǔ)需要承受的作用力。本研究在確定橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)采用假設(shè)法，首先假設(shè)橋梁寬度，根據(jù)該數(shù)值進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，明確樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橋梁寬度為17m時(shí)，需要采用群樁方式進(jìn)行施工，其中群樁數(shù)量至少為三個(gè)以上，當(dāng)橋梁寬度為9m或者13m時(shí)，可以采用雙樁結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行施工，這樣才能確保樁基礎(chǔ)達(dá)到要求的抗震等級(jí)。

（2）墩柱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。單個(gè)墩柱在正常工作時(shí)下部區(qū)域可能會(huì)存在塑性剪切的現(xiàn)象。根據(jù)假設(shè)的地震烈度等級(jí)可以計(jì)算出墩柱需要的配筋形式及其數(shù)量。根據(jù)沿著橋梁方向和垂直橋梁方向需要的極限彎曲值，可以計(jì)算得到墩柱使用的混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、墩柱的軸向力以及超強(qiáng)系數(shù)。在以上綜合分析的基礎(chǔ)上明確墩柱的直徑大小及其組合形式。在完成墩柱的設(shè)計(jì)工作后，還需要再對(duì)樁基礎(chǔ)以及整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，確保都達(dá)到抗震等級(jí)要求。

2.2 其他環(huán)節(jié)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

（1）墩柱截面形狀選擇。墩柱截面如果太大，則會(huì)增加其自身重量，影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為了提升抗震的等級(jí)，樁基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)也需要增加其截面形狀。如果墩柱截面積相對(duì)過小，導(dǎo)致其剛度無法達(dá)到抗震基本需要，則會(huì)影響橋梁的抗震等級(jí)，因此需要結(jié)合實(shí)際情況合理控制墩柱截面大小。

（2）通常情況下，對(duì)于固定支座墩，盡量不選用矮墩結(jié)構(gòu)。因?yàn)榘战Y(jié)構(gòu)的剛性相對(duì)較好而柔性相對(duì)較差，一旦發(fā)生地震時(shí)會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。橋柱中間以及邊梁的兩側(cè)應(yīng)該預(yù)留一定的間隙，一方面防止橋梁整體熱脹冷縮造成擠壓，另一方面避免地震時(shí)產(chǎn)生落梁的問題。

（3）為了避免地震過程中，橋梁整體發(fā)生橫向移動(dòng)問題，需要在橋墩上部位置設(shè)置限位塊，其中限位塊可以直接利用鋼筋混凝土材料進(jìn)行澆筑。梁段和橋臺(tái)背墻中間可以設(shè)置橡膠塊，這樣在發(fā)生地震時(shí)，橡膠塊可以起到很好的緩沖作用，降低橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度。本工程案例中，墩柱上方的盆式支座同樣采用的是橡膠材料，這種類型的支座稱為隔振支座。作用同樣是起到緩沖的效果，減少橋梁振動(dòng)幅度。

3 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)盡量保持橫平豎直，特別是橋梁軸線應(yīng)該保持直線。主要是因?yàn)闃蛄狠S線如果出現(xiàn)彎曲情況，則會(huì)降低其整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和鋼度。橋臺(tái)與橋軸線、橋墩之間需要保持嚴(yán)格垂直，如果存在斜交現(xiàn)象，那么地震時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)效益，進(jìn)而影響橋梁的性能。另外，盡量保持橋梁路面的連續(xù)性，不要出現(xiàn)斷層的現(xiàn)象。

（2）在橋梁選址方面需要特別謹(jǐn)慎，確定地址之前需要系統(tǒng)全面勘查相關(guān)區(qū)域的地質(zhì)情況。不得在沙土或者軟土區(qū)域建設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)，盡量選擇在巖石或者具有很好沖擊性能的土地上建設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)。如果橋梁附近區(qū)域土地性質(zhì)較為軟弱，一旦發(fā)生地震時(shí)，地基就會(huì)發(fā)生沉降，必然會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性，使橋梁結(jié)構(gòu)整體沉降。設(shè)計(jì)時(shí)還要確保沿著橋梁方向和垂直于橋梁方向，兩個(gè)方向上橋梁結(jié)構(gòu)的剛度相同，如果兩個(gè)方向上的剛度存在比較大的差異，則地震時(shí)會(huì)導(dǎo)致剛度較差的方向發(fā)生明顯損傷。

（3）通常情況下橋梁墩柱之間的距離越小，則橋梁結(jié)構(gòu)整體的抗震性能越好。所以在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能縮小兩個(gè)墩柱之間的距離，減小跨徑。墩柱之間的距離越小則分布到每個(gè)墩柱中的軸向力相對(duì)更小，可以減小每個(gè)墩柱的彈性變形量。在材料選擇方面，應(yīng)該盡可能選用能夠承受更大變形量的材料，這種類型的材料在發(fā)生較大變形時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)裂紋的問題。另外，在抗震設(shè)計(jì)中不可以使用靜定結(jié)構(gòu)，而應(yīng)該使用超靜定結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年來我國(guó)建設(shè)了大量的公路。橋梁結(jié)構(gòu)是公路中的重要構(gòu)成部分，其性能好壞對(duì)公路工程項(xiàng)目質(zhì)量有決定性的影響。為了提升公路橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)時(shí)抗震設(shè)計(jì)是其中非常重要的內(nèi)容。公路橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)涉及方方面面的內(nèi)容，從橋梁建設(shè)地址的選擇、施工材料的選擇、整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等等，都需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)控制，只有這樣才能提升橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，保障橋梁運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。