高烈度地區山區橋梁抗震設計探討

摘要 高烈度地區易發地震，對高烈度地區山區橋梁進行有效的抗震設計尤為重要。文章結合實際案例對影響高烈度地區山區橋梁抗震的因素進行了深入分析，并提出相應的優化措施，通過分析橋墩直徑對抗震性能的影響得出，橋墩的墩頂徑向位移和切向位移隨著直徑的增加而減小；P2處的切向位移減小速率在橋墩直徑為2.25～3 m的范圍內顯著增大，而3 m后橋墩直徑的增加對橋墩位移影響變小；P2墩的彎矩隨著橋墩直徑的增加而增大，但橋墩直徑小于3 m時彎矩的增長速率較小，而當直徑大于3 m時彎矩的增長速率增大，由此可知3 m是橋墩的最適宜直徑。

關鍵詞 高烈度；山區橋梁；抗震；優化設計；位移

中圖分類號 U442 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0155-03

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，山區橋梁作為國家交通運輸設施的重要組成部分，其安全性和穩定性直接關系山區道路交通的正常運行，對保障人民生命財產的安全具有重要意義，同時在促進地區經濟發展和保障社會運行中也發揮著重要作用。然而，由于高烈度地區易發地震，而位于該區的山區橋梁因其特殊的地理環境而面臨著更加嚴峻的抗震考驗。山區復雜的地質條件和多變的地形可能造成斷層、滑坡和泥石流等地質災害，進而對橋梁的地基穩定性造成嚴重影響；其次地震時的能量傳遞會對橋梁的結構造成嚴重影響。此外，山區橋梁施工和維護的難度較大，容易造成施工質量問題[1]。科學地采取高烈度地區山區橋梁抗震性的優化措施，可以有效延長高烈度地區山區橋梁的安全性及其使用壽命。因此，橋梁結構的合理設計對高烈度地區山區橋梁的抗震性能尤為重要。該文結合實際案例對影響高烈度地區山區橋梁抗震的因素進行了深入分析，并提出了相應的優化措施，以期為高烈度地區山區橋梁的抗震設計提供一定支持。

1 高烈度地區山區橋梁抗震設計影響因素

1.1 地質與地形條件

復雜多變的山區地質條件對橋梁的抗震設計影響很大。山區地區的地質條件可能會存在斷層活動、滑坡和泥石流等地質災害，增加了橋梁地基承載力的不確定性。例如斷層活動可能會對橋梁基礎造成破壞，而滑坡和泥石流可能會改變河流的走向和流速，進而對橋梁的支撐結構產生不利影響。山區的地形復雜多變，對橋梁的設計和施工方法也提出了額外要求，例如有些地區的橋梁設計跨度很大或者需要在陡峭的地形上建立支撐結構，這將增加設計的復雜性和施工難度及成本，同時還有可能限制施工設備的使用，為現場的安全施工造成一定隱患。此外，山區的地形多變在地震中可能會造成不均勻沉降，進而導致橋梁結構產生額外的應力而使支撐點失去平衡，最終引起結構變形或斷裂等問題[2]。

1.2 結構設計與材料選擇

在高烈度地區，橋梁的結構設計需要考慮對地震作用力的分散和傳遞，因此結構設計是確保橋梁抗震性能的關鍵。但是，在實際設計中如果設計不合理，如橋梁的結構剛度過大或者結構過于柔韌都會產生不利影響：剛度過大時地震力可能造成結構的過度應力和破壞，而結構過于柔韌可能造成結構發生較大位移或破壞橋梁。同時，在結構設計時，所用材料的選擇也至關重要。傳統的混凝土和碳鋼由于在地震中的延性和韌性較差，無法承受較大的地震力而受到破壞，不能滿足高烈度地區橋梁抗震性能的要求。因此，需要選用具有更高性能的結構材料[3]。

1.3 施工與維護

由于地形的限制，在山區建設橋梁的施工過程和維護過程都將面臨諸多困難。其中，施工困難主要受施工設備和施工材料運輸的影響，一些重型施工機械可能無法達到陡峭或狹窄的施工點；其次，由于山區的地形復雜，材料在運輸過程中可能無法使用常規機械運輸，需要使用直升機或LdC6a+gYfRmekgDojh/Jiw==者畜力運輸，不僅增加了施工難度，還可能導致工程進度的延誤和施工成本的增加。同時，山區橋梁的維護和維修相比于平原更EYumiTiDGOr8NmD8AowOJA==加困難，這主要是因為山區的地理位置造成維護維修時的交通不便。此外，山區的環境相對惡劣，常常會有暴雨、暴雪和冰凍等，會對橋梁混凝土結構產生不利影響，容易造成混凝土裂縫等問題，進而影響橋梁的抗震性能，其中橋梁中常見的混凝土裂縫類型及特點如表1所示[4]：

2 影響高烈度地區山區橋梁抗震設計因素的優化措施

2.1 地質與地形適應性設計

地質適應性設計是確保山區橋梁在高烈度地震中穩定性的關鍵，為此，在設計時應根據實際地質條件選擇合適的基礎類型。例如，在地震活躍的區域，可采用樁基礎或者井基礎等深基礎的方案，以便把地震時的載荷傳遞到更穩定的土層，增加地震時地基的穩定性；其次，對于地質不穩定的區域，可采用地基換填、地基加固和地基隔離等預處理技術，以提高地基的承載力，進而減少地震力對橋梁的影響。同時，地形適應性設計時橋梁結構形式的選擇必須考慮山區的特點，其中在山區可以優先考慮拱橋和懸索橋等結構形式，因為這兩種橋的自重較小且對地形適應性較強，可在地震時有效分散地震力，減少對地形的改造，同時降低施工時對山區環境的影響，特別是針對不平坦的地形、有限的施工空間、需要跨越較寬的河流和山谷等特殊地質條件[5]。

2.2 結構設計與材料創新

基于結構設計和材料對高烈度地區山區橋梁抗震性的影響可知，結構設計和材料創新對于改善結構性能較為重要。在結構設計上可以使用預應力混凝土，預應力技術可以提高混凝土的承載能力和延性，從而使得橋梁結構在地震作用下能夠承受更大的沖擊和變形而不發生破壞；還可以采用隔震和減震技術，例如在橋梁處設置隔震支座和減震器，隔震支座可以將地震力隔離在橋梁基礎外，而減震器則可以吸收和分散地震能量，這兩種方式都可以有效減少地震對橋梁的沖擊及傳遞到橋梁上的地震力。此外，在結構設計時可以使用創新材料，其中鋼材和復合材料廣泛應用于橋梁的主體結構和關鍵部位，其主要原因是這兩種材料具有強度高、質量輕的特點，創新材料的使用可以有效提高橋梁結構的抗震性能和耐久性。

2.3 橋梁施工與維護過程優化

施工與維護策略的優化對于確保山區橋梁的長期穩定性和安全性至關重要。采用先進的施工技術和管理方法，可以顯著提高施工效率和質量，例如使用模塊化施工工藝和預制構件，模塊化施工工藝可以在工廠中預制橋梁的各個部分，然后運輸到現場進行快速組裝，裝配式施工不僅能夠減少現場施工的時間和復雜性，還可以降低施工過程中的安全風險。其次，需要加強施工過程的管理，例如建立遠程監控系統，可以實時監測橋梁的健康狀況，及時發現和處理潛在的結構問題。通過安裝傳感器和使用先進的監測技術，可以對橋梁的關鍵部位進行持續監測，如橋梁的位移、應力和裂縫寬度的變化等。這些數據可以用于評估橋梁的安全性和結構性能，指導維護工作的開展，并依據實際監測情況制定專項的加固方案，其中橋梁技術狀況評定等級如表2所示[3]。在橋梁的維護方面，可以建立定期的橋梁健康監測系統和維護計劃，主要對橋梁進行定期檢查、清潔和維修，對發現的問題進行及時處理。同時，還可以采用無人機檢查和機器人維修等自動化和智能化的技術，以提高維護工作的效率和安全性。

3 高烈度山區橋梁抗震優化設計實例

3.1 項目概況

北京屬于地震設防烈度為Ⅷ度的高烈度地區，該文以北京地區山區某橋梁作為研究對象進行了抗震性能分析。該橋梁設計的車輛通行速度為90 km/h，橋梁設計的載荷為公路Ⅰ級、抗震設防烈度為Ⅷ度，其中該橋梁的主橋長160 m（45+70+45 m）。為了提高橋梁的抗震性，該橋梁主梁為采用C50混凝土的單箱單室截面，其中該橋梁的跨中梁高度和支點梁高分別為2.2 m和4.9 m；橋墩高度為19.5 m，采用的是C40混凝土，并且橋墩內的配筋均采用的是HRB400級的鋼筋，該橋的示意圖如圖1所示：

3.2 山區橋梁抗震設計的優化措施

該橋原設計的柱墩面積為36.2 m2，為了提高墩柱的抗震性能，首先分析柱墩截面積不同時的位移和受力情況。該文分析的柱墩直徑在2～3.5 m的范圍內取值，柱高保持不變，兩個橋墩的編號分別為P1和P2，地震波采用E1-1，橋梁墩頂位移具體分析結果如圖2所示。從圖2中數據可以得出，該橋的兩個橋墩的墩頂徑向位移和切向位移隨著橋墩直徑的增加而減小，其中P2處的切向最大位移由原來的356 mm降至235 mm，位移差值為121 mm，且P2處切向位移的減小速率在2.25～3 m之間顯著增大，過了3 m后橋墩直徑的增加對切向位移影響變小，考慮建造成本的控制，橋墩直徑在3 m時最適宜。橋梁墩頂受力情況如圖3所示，從圖中可以得出，P2墩的彎矩隨著直徑的增加而增大，但直徑小于3 m時彎矩的增長速率較小，而當直徑大于3 m時彎矩的增長速率增大，由此可見3 m是橋墩的最適宜直徑。基于上述對橋墩在不同直徑下的抗震性能分析可知，3 m是橋梁墩抗震性能最佳的直徑。

4 總結

該文通過探討影響高烈度地區山區橋梁抗震性設計的因素，提出了相應的設計優化措施，并基于實際橋梁抗震性能的分析和討論，研究了橋墩直徑對抗震性能的影響情況，具體結論如下：

（1）兩個橋墩的墩頂徑向位移和切向位移隨著橋墩直徑的增加而減小；其中P2處的切向最大位移由356 mm降至235 mm，且P2處切向位移的減小速率在2.25～3 m范圍內增加較快，橋墩直徑超過3 m后的切向位移變化相對較小，橋墩直徑在3 m時最適宜。

（2）由橋梁墩頂受力情況分析得出，P2墩的彎矩隨著橋墩直徑的增加而增大，彎矩的增長速率以橋墩直徑為3 m作為轉折點，小于3 m時彎矩的增長速率較小，大于3 m時彎矩的增長速率增大，直徑3 m可作為橋墩的最適宜直徑；且當橋墩的直徑為3 m時為橋梁墩抗震性能最佳的直徑。

參考文獻

[1]白洪濤，矣志勇，張皓.高烈度地區高塔斜拉橋抗震設計研究[J].工程抗震與加固改造，2023（3）：135-142.

[2]王寅生.道路橋梁工程的常見病害與施工處理技術探討[J].工程與建設，2022（3）：710-712．

[3]張峰.大跨徑連續鋼結構橋梁檢測評估與體外預應力加固研究[D].成都：西華大學，2022.

[4]王磊，郭震山，楊國俊.黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險評價[J].安全與環境工程，2022（1）：26-32.

[5]曾輝.橋梁結構抗震設計與設防措施研究[J].工程建設與設計，2023（2）：99-101.

收稿日期：2024-05-18

作者簡介：周路瑤（1991—），男，碩士研究生，工程師，從事路橋設計工作。