高墩橋梁抗震設(shè)計(jì)

摘要：本文結(jié)合高墩橋梁自身特點(diǎn)及其在世界各大地震中的震害情況，詳細(xì)闡述了山區(qū)高墩橋梁的抗震概念設(shè)計(jì)及抗震計(jì)算等內(nèi)容，同時(shí)提出了必要的抗震構(gòu)造措施，為山區(qū)高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：高墩橋梁；震害特點(diǎn)；概念設(shè)計(jì)；抗震計(jì)算；抗震措施

引言

由于地形復(fù)雜程度不同，以及公路、鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要求不同，我國(guó)公路、鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不得不采用許多高墩甚至超高墩橋梁，以跨越河谷和深溝。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)：我國(guó)已建成的墩高超過100米的僅剛構(gòu)橋梁已近40座，居世界第一。在我國(guó)西部地區(qū)已建或在建的公路、鐵路橋梁中，墩高超過40米的高墩橋梁占橋梁總數(shù)的40%以上。表1列出了近年來國(guó)內(nèi)已建成的部分高墩橋梁[1]。今后，高墩橋梁的應(yīng)用將越來越多。

表1 部分百米高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋

橋梁名稱

建成年份

主跨/m

墩高/m

墩身截面形式

四川臘八斤

特大橋

2012

105+2x200+105

182.5

鋼管混凝土

疊合柱

湖北龍?zhí)逗?/p>

特大橋

2007

106+3 ×200 +106

178.0

雙肢薄壁空心墩

黑石溝大橋

2011

55+120+200+105

155.0

鋼管混凝土

疊合柱

洛河特大橋

2005

90 +3 ×160 +90

143.0

雙肢薄壁

空心墩

葫蘆河特大橋

2008

90 +3 ×160 +90

138.0

雙薄壁空心墩

元江大橋

2003

58 +182 +265 +194 +70

123.5

雙柱式空心

薄壁墩

魏家洲大橋

2011

110 +200 +110

114.0

雙薄壁空心墩

岷江大橋

2010

125 +220 +125

108.0

矩形空心墩

李子溝特大橋

2006

72 +3 ×128 +72

107.0

矩形空心墩

老莊和特大橋

2005

95 +4 ×170 +95

105.0

空心薄壁墩

對(duì)于綿延數(shù)千公里的公路、鐵路線，是聯(lián)系區(qū)域經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，也是抗震救災(zāi)的生命線[2]。高墩梁橋墩身重量較大，墩頂主要承受橋跨荷載，這種橋梁結(jié)構(gòu)是抗震不利的結(jié)構(gòu)體系，主要是因?yàn)檩^大的墩頂在發(fā)生地震時(shí)容易發(fā)生位移且支座也很容易破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹇淞骸４送猓叨諛蛄菏苷鸷笮迯?fù)困難，影響地震后生命線的暢通，將給地震區(qū)帶來嚴(yán)重的第二次災(zāi)害。因此，在高墩橋梁設(shè)計(jì)過程中，要將抗震因素考慮進(jìn)去。

1高墩橋梁震害特點(diǎn)

總結(jié)世界各大地震及汶川大地震的震害[3]，山區(qū)高墩橋梁震害總體上具有以下特點(diǎn)：

（1）在橋梁選址方面，近場(chǎng)地震的破壞性較大，且地震造成的次生地質(zhì)災(zāi)害巨大。

（2）不規(guī)則線形的彎橋和斜橋等橋型在地震中的損毀要比直線橋嚴(yán)重。

（3）整體性差的橋梁，如簡(jiǎn)支梁橋，容易發(fā)生整體垮塌、落梁事故。

具體震害形式表現(xiàn)為：

（1）上部結(jié)構(gòu)震害。上部結(jié)構(gòu)自身震害很少見，常見的有梁體移位和結(jié)構(gòu)碰撞。移位震害一般發(fā)生在伸縮縫處，主要有縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)移位；梁體縱向移位過大可導(dǎo)致梁跨整體落梁。

（2）下部結(jié)構(gòu)震害。下部結(jié)構(gòu)震害主要有橋墩破壞、框架墩蓋梁及節(jié)點(diǎn)破壞和橋臺(tái)破壞。在歷次地震中，橋墩破壞主要表現(xiàn)為彎曲破壞，也有剪切破壞發(fā)生。以彎曲破壞為主的橋墩，多見墩身混凝土開裂、破碎，主要受力鋼筋彎曲，墩身塑性變形較大，但均不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌；以剪切破壞為主的橋墩，多見墩身發(fā)生很大的塑性變形導(dǎo)致墩身失效，甚至造成結(jié)構(gòu)垮塌。框架墩蓋梁的破壞多是彎曲破壞，但是其節(jié)點(diǎn)處多發(fā)生剪切破壞；橋臺(tái)破壞在歷次大地震中較常見，多表現(xiàn)為臺(tái)身與上部梁體端部之間的碰撞及橋臺(tái)整體滑移、傾斜等形式。

（3）支承連接部位震害。支撐連接部位震害主要表現(xiàn)為支座破壞。對(duì)于固定支座，多見支座構(gòu)件及支座與結(jié)構(gòu)之間的連接、錨固構(gòu)件的破壞失效。對(duì)于活動(dòng)支座，多見其位移量超出允許范圍而導(dǎo)致支座失效。

（4）基礎(chǔ)及承臺(tái)震害。高墩橋梁多采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)震害的主要表現(xiàn)為由地基失效、上部結(jié)構(gòu)傳下來的慣性力等引起的樁基剪切、彎曲破壞。承臺(tái)破壞主要表現(xiàn)為與樁頂?shù)倪B接失效。

2高墩橋梁抗震概念設(shè)計(jì)

抗震概念設(shè)計(jì)[4]是指以抗震基本設(shè)計(jì)原則和思想為基礎(chǔ)，以工程概念為依據(jù)，用符合工程本質(zhì)和客觀規(guī)律的方法對(duì)一些難以在計(jì)算或規(guī)范中做出具體規(guī)定的問題進(jìn)行分析做出判斷，從而采取相應(yīng)的措施對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行宏觀調(diào)控。自20世紀(jì)70年代以來，人們總結(jié)歷次抗震經(jīng)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中。概念設(shè)計(jì)在很大程度上決定著抗震設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，在實(shí)際工程中的重要性大于計(jì)算設(shè)計(jì)。抗震概念設(shè)計(jì)[5]主要包括工程結(jié)構(gòu)的總體布局和細(xì)部構(gòu)造。對(duì)橋梁來說，抗震概念設(shè)計(jì)包括橋梁位置選擇、橋梁上下部結(jié)構(gòu)選擇、橋梁選型及橋梁連接件、配筋方式等細(xì)部構(gòu)造的選擇。

2.1橋梁位置

高墩橋梁設(shè)計(jì)時(shí)往往需要考慮一些非抗震因素的影響，如地形地貌、交通流量等都對(duì)橋?qū)挕蜷L(zhǎng)、平豎曲線等產(chǎn)生制約，此類因素在設(shè)計(jì)時(shí)通常是無法調(diào)整的。而作為橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主要影響因素之一，橋梁的形式可根據(jù)工程實(shí)際靈活地選擇。山區(qū)高墩橋梁一般是設(shè)在平豎曲線半徑相對(duì)較小彎道較多的地方，橋梁多為變墩高的曲線橋，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，極不規(guī)則。

2.2橋梁整體結(jié)構(gòu)

橋梁整體結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁的質(zhì)量和效益有直接影響，山區(qū)高墩橋梁在受到地震影響后常會(huì)出現(xiàn)較大位移，而造成這一問題的主要原因是橋梁剛度和質(zhì)量不平衡。山區(qū)橋梁由于山谷兩側(cè)的山體坡度大，橋梁的墩高差異較大，易造成相鄰兩橋墩的剛度大小不一。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，各橋墩之間的水平地震力無法均勻分配。剛度較大的橋墩承載的力更多，而當(dāng)剛度扭轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏移時(shí)，橋梁的上下部結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致橋梁被破壞的幾率增加。等墩高、等跨度、等橋面寬度及簡(jiǎn)支梁支座等結(jié)構(gòu)形式能夠最大限度地保證橋梁剛度和質(zhì)量的平衡。在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)橋墩直徑、支座形式等進(jìn)行調(diào)整，以盡可能地確保剛度和質(zhì)量的平衡。

2.3橋墩的選擇

山區(qū)橋梁一般是變墩高的曲線橋，結(jié)構(gòu)極不規(guī)則，曲線橋梁的幾何形狀會(huì)影響其地震響應(yīng)，橋墩的形式也是影響橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主要因素之一。在地震作用下，高墩與矮墩的結(jié)合使得橋梁受力更為復(fù)雜，而當(dāng)高墩與矮墩不耦合時(shí)，則可能會(huì)導(dǎo)致高墩的地震位移過大，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的落梁或支座脫位，高墩的選型和設(shè)計(jì)對(duì)全橋在地震作用下的安全有著重要意義。山區(qū)高等級(jí)公路由于地形地貌的限制，墩高大于40m的非規(guī)則梁橋非常多。由于多采用簡(jiǎn)單的梁橋結(jié)構(gòu)，梁橋墩高在30m以內(nèi)時(shí)，往往多采用雙圓柱橋墩；當(dāng)墩高超過30m時(shí)，往往采用獨(dú)柱T形墩、空心薄壁墩、門架墩等橋墩形式，這些橋墩形式都具有自身的特點(diǎn)。對(duì)于位于平曲線上的橋梁，在地震發(fā)生時(shí)，橋墩的地震響應(yīng)為彎扭耦合震動(dòng)，橋墩的截面形式要求具有較好的抗彎剛度和抗扭剛度；普通雙柱墩橫向抗彎剛度較好，但是縱向抗彎剛度和抗扭剛度較差。橋墩較高時(shí)，雙柱墩在彎矩、剪力、軸力的共同作用下容易發(fā)生墩柱的失穩(wěn)破壞，因此在橋墩高超過30m時(shí)，不建議采用。獨(dú)柱T形墩和空心薄壁墩具有各方向抗彎剛度較大、抗扭剛度大、整體性好等優(yōu)點(diǎn)。在山區(qū)高墩橋梁的設(shè)計(jì)中，獨(dú)柱T形墩一般采用預(yù)應(yīng)力懸挑式蓋梁與剛度較大的墩柱相結(jié)合，特點(diǎn)是截面橫向尺寸較小，

相應(yīng)的橫橋向截面剛度較小，在橋墩高度不大于60m時(shí)采用較多；空心薄壁墩的形式與獨(dú)T形墩從外觀上比較接近，但是截面橫橋向尺寸較大、橋墩橫向剛度較大，在橋墩高度小于80m時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。門架墩的剛度比普通雙柱墩好，但隨著墩高的增加，由于橫向通過系梁將兩根門架柱聯(lián)系起來，因此橫向剛度和整體性較差，抗扭剛度較小，門架墩多用于橋墩高度不大于90m的橋梁。因此，從橋墩選型來考慮，梁橋獨(dú)柱T形墩和空心薄壁墩有一定的優(yōu)勢(shì)，預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)多采用單薄壁墩、雙薄壁墩。

3高墩橋梁抗震計(jì)算特點(diǎn)及方法

山區(qū)高墩橋梁由于山谷兩側(cè)山體坡度較大，墩的高度往往相差懸殊，跨距不均勻，地震力作用下水平地震力在各墩間的分配一般不理想，因此山區(qū)橋梁抗震計(jì)算有其難點(diǎn)和特點(diǎn)[6，7]。

3.1高墩橋梁抗震計(jì)算的特點(diǎn)

（1）高墩橋梁抗震計(jì)算需要將動(dòng)力非線性的影響因素考慮進(jìn)去，高墩橋梁無論是在動(dòng)荷載還是靜荷載下都會(huì)產(chǎn)生比較明顯的非線性變形，尤其是以軸力為主的大跨度剛構(gòu)橋?qū)ψ冃斡绊懛浅Ｃ舾小Ｒ虼耍叨諛蛄涸谶M(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)需要將非線性變形的影響因素考慮進(jìn)去。

（2）高墩橋梁的建設(shè)一般都是在山區(qū)，山區(qū)的地形比較復(fù)雜。因此，在高墩橋梁進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)需要考慮地形變化大、近斷層、跨斷層和長(zhǎng)大跨橋梁等因素的影響。根據(jù)相關(guān)地震資料表明，即使是在同一次地震中，地表各處的反應(yīng)也會(huì)各不相同，即使相距僅幾十米，振動(dòng)的相位、頻譜和幅值特征也是各不相同的。此外，其空間變化十分復(fù)雜[7，8]。因此，高墩橋梁在進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)應(yīng)該將多點(diǎn)激勵(lì)的影響考慮進(jìn)去。

（3）高墩橋梁抗震計(jì)算考慮將橋墩高階振型的影響因素考慮進(jìn)去，由于高墩的墩身質(zhì)量比較大，自振周期比較長(zhǎng)，在地震作用下就可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上塑性鉸[9]，那么在發(fā)生地震時(shí)就很難保證橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全性。因此，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全性，在進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)就需要將高階振型的影響因素考慮進(jìn)去。

3.2高墩橋梁抗震計(jì)算方法

橋梁在地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)就是隨時(shí)間變化的支座移動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，地震動(dòng)過程中其結(jié)構(gòu)主要承受的荷載是隨時(shí)間變化的支座移動(dòng)產(chǎn)生的。如果結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)本構(gòu)關(guān)系確定了，此時(shí)將隨時(shí)間變化的支座移動(dòng)假設(shè)具有一定的加速度和速度，那么結(jié)構(gòu)的非支座部分同樣會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度、速度和位移。其中常用的抗震計(jì)算方法主要有反應(yīng)譜方法、宏觀力學(xué)計(jì)算方法、時(shí)間歷程分析方法及隨機(jī)振動(dòng)法。

（1）反應(yīng)譜方法

反應(yīng)譜方法是目前橋梁結(jié)構(gòu)抗震分析最廣泛最基本使用的分析方法。在應(yīng)用反應(yīng)譜方法進(jìn)行抗震分析時(shí)，反應(yīng)譜分析涉及到的參數(shù)有很多方面，其中主要參數(shù)是輸入方向組合下單個(gè)支座剪切力最大值等因素。對(duì)應(yīng)的臨界滑動(dòng)摩擦力之間的數(shù)值以及部分支座的橫向彈性剪切力與大部分支座的順橋向彈性剪切力之間的關(guān)系在地震動(dòng)作用下應(yīng)該通過計(jì)算掌握好，如果這些數(shù)值不在規(guī)定允許范圍內(nèi)，就可能會(huì)增大梁底面與頂面之間相對(duì)滑移的位移，那么此時(shí)就需要采取一定的措施進(jìn)行良好的抗震。

（2）宏觀力學(xué)計(jì)算方法

抗震性能研究的基礎(chǔ)性工作就是運(yùn)用宏觀力學(xué)的方法認(rèn)識(shí)和分析橋梁的動(dòng)力學(xué)特性。而建立全橋線彈性的計(jì)算模型是在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析之前必須要做的一個(gè)步驟。通過對(duì)橋墩和主梁進(jìn)行空間梁的單元模擬，在樁身單元上施加側(cè)向土彈簧來模擬橋墩的樁--土相互作用，然后通過選取合適的方法將其數(shù)值計(jì)算出來。架構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性主要是通過振型和自振頻率兩個(gè)因素體現(xiàn)出來。

（3）靜力彈塑性分析（Push - over）方法

Push-over方法作為近似的非線性抗震分析手段，主要是用于結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算，應(yīng)該說有一定的應(yīng)用價(jià)值。但用靜態(tài)的分析方法來研究動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，力學(xué)模型本身就有其局限性。

（4）時(shí)間歷程分析方法

研究表明，高墩橋梁受到強(qiáng)烈地震作用下，可能進(jìn)入嚴(yán)重的非線性彈塑性狀態(tài)。在這種情況下，相比于隨機(jī)振動(dòng)法和反應(yīng)譜法，時(shí)間歷程分析方法具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。因?yàn)闀r(shí)程分析法能與結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)聯(lián)系起來，并且可以將結(jié)構(gòu)的固有特性與地震動(dòng)輸入的特性很好地聯(lián)系起來。但時(shí)程分析法應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)的一大障礙是計(jì)算量龐大，對(duì)于確定性的地震動(dòng)輸入方式，必須生成符合結(jié)構(gòu)所在場(chǎng)地的空間地震動(dòng)場(chǎng)，才能使這個(gè)方法應(yīng)用于多點(diǎn)激勵(lì)時(shí)程。據(jù)以上分析，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)地震動(dòng)的深入了解，時(shí)程分析法雖然有一些缺陷，但仍然是目前求解在多點(diǎn)地震動(dòng)激勵(lì)作用下山區(qū)高墩非規(guī)則橋梁非線性反應(yīng)的最好解決方法之一。

（5）隨機(jī)振動(dòng)法

隨機(jī)振動(dòng)法是一種合理的分析方法，因?yàn)榈卣鸬孛孢\(yùn)動(dòng)是一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)過程，而隨機(jī)振動(dòng)法充分考慮了地震發(fā)生的概率特性。但是，隨機(jī)振動(dòng)法的缺點(diǎn)是對(duì)于非線性問題可能引起較大的誤差，且計(jì)算量龐大。為保證足夠的計(jì)算精度又解決隨機(jī)振動(dòng)方法計(jì)算量龐大的難題，可以應(yīng)用隨機(jī)振動(dòng)虛擬激勵(lì)法[10]。虛擬激勵(lì)法計(jì)算效率很高、應(yīng)用方便，并且在一些重要方面彌補(bǔ)了反應(yīng)譜法的不足，適于廣泛地應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，但在處理罕遇地震下的高墩強(qiáng)非線性問題時(shí)該方法有其局限性。

4 高墩橋梁抗震構(gòu)造措施

汶川地震中，不少梁橋出現(xiàn)落梁，墩、臺(tái)、支座破壞現(xiàn)象。在此，本文總結(jié)了幾項(xiàng)抗震措施，可以應(yīng)用于山區(qū)高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)。

（1）橋墩臺(tái)處采用限位器。美國(guó)的《加州地震設(shè)計(jì)規(guī)范》和日本的《橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》都推薦了在伸縮縫處安裝限位器來限制相對(duì)位移，并指定了限位器的設(shè)計(jì)方法；日本《橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》還考慮了碰撞對(duì)相對(duì)位移的影響，提出了考慮碰撞效應(yīng)的相對(duì)位移反應(yīng)譜，以防止地震中上部結(jié)構(gòu)落梁的發(fā)生，而我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)及驗(yàn)算都只注重橋墩的強(qiáng)度和變形能力，雖然我國(guó)有些橋梁已經(jīng)采用連梁裝置，但還缺乏系統(tǒng)深入的研究。

（2）合理設(shè)計(jì)橋墩、臺(tái)處的擋塊。現(xiàn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)橋梁的構(gòu)造細(xì)節(jié)有待改善，汶川地震中出現(xiàn)大量橋梁發(fā)生抗震擋塊的剪斷或剪裂現(xiàn)象，說明抗震擋塊的合理設(shè)計(jì)及施工非常重要。擋塊設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注擋塊與主梁的剛度比值范圍；地震擋塊的容許剪裂程度；不同跨徑、不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁應(yīng)采用不同尺寸和結(jié)構(gòu)的擋塊。

（3）采用隔震支座。采用減、隔震支座，在梁體與墩、臺(tái)的連接處增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼以減小橋梁的地震反應(yīng)，如疊層橡膠支座、聚四氟乙烯支座和鉛芯橡膠支座等。

（4）采用隔震支座和阻尼器相結(jié)合的系統(tǒng)。近20年來，美國(guó)、新西蘭和日本等國(guó)在橋梁減、隔震和延性抗震方面都列入了相應(yīng)的條款，而我國(guó)規(guī)范還不夠具體。

（5）利用橋墩延性減震。橋墩延性減震是將橋墩某些部位設(shè)計(jì)得具有足夠的延性，以便在強(qiáng)震作用下使這些部位形成穩(wěn)定的延性塑性鉸，產(chǎn)生彈塑性變形來延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期、耗散地震能量。

（6）采用新型耗能材料。開發(fā)利用新型材料，使橋梁能夠隔離、吸收和耗散地震能量，減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，使橋梁的變形限制在彈性范圍，避免由于產(chǎn)生塑性變形而造成累積損傷破壞和永久殘余變形。例如鋼管混凝土和型鋼混凝土結(jié)構(gòu)等，日本新建的橋梁多采用鋼結(jié)構(gòu)就說明了這一發(fā)展趨勢(shì)。

5結(jié)語(yǔ)

高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)直接關(guān)系著橋梁整體結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量，因此在橋梁工程中必須重視抗震設(shè)計(jì)。通過抗震概念設(shè)計(jì)，利用合理的計(jì)算方法，選擇合理的橋梁結(jié)構(gòu)和橋墩形式，保證橋梁的抗震性能，提高工程質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：

張勇（1980-），男，工程師，從事特種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。