高墩大跨徑連續鋼構橋梁結構抗震設計分析

李德海

摘 要：隨著我國交通事業的發展，高墩大跨徑連續鋼構橋梁在交通道路建設中運用的越來越多，尤其是我國西南、西北地區，盤山公路等已經不能滿足經濟發展需要。但由于地形較為復雜，在道路建設中多采用橋梁，再加上山區為地震多發地帶，因而對橋梁設計要求極為嚴格。高墩大跨徑連續鋼構橋梁結構的設計具有良好抗震能力，分析其抗震設計，對于其完善與發展具有重要意義。

關鍵詞：高墩；大跨徑：連續鋼構梁；抗震設計

1 高墩大跨徑連續鋼構橋簡介

鋼構橋結構較為特殊，是將墩臺與主梁整體固結。其承擔豎向荷載時，主梁通過產生負彎矩減少跨中正彎矩。橋墩作為鋼構橋的主體部分，主要承擔水平推力、壓力以及彎矩三種力。墩梁固結形式較為特殊，可通過節省抗震支座減少橋墩厚度，借助懸臂施工從而省去體系轉換，減少了施工工序。該結構可保持連續梁無伸縮縫，使行車平順。此外還具有無需設置支座和體系轉換功能，橋梁結構在順橋向和橫橋向分別具有抗彎和抗扭剛度，為施工提供具有便利。高墩大跨徑連續鋼構橋形式優缺點并存，其缺點在于受混凝土收縮、墩臺沉陷等因素影響，結構中可產生附加內力。作為高柔性墩，可允許其上部存在橫向變位。其優點在于弱化墩臺沉降所產生的內力，并減輕其對結構的影響。

其突出受力結構表現為橋墩與橋梁固結為整體，通過共同承受荷載進而較少負彎矩；該橋梁結構受力合理，抗震與抗扭能力強，具有整體性好，橋型流暢等優點。作為高柔性橋墩，可允許橋墩縱橫向存在合理變位。

2 橋梁震害的具體表現

2.1 支座

在地震中支座損壞極為常見，支座遭到破壞后能夠改變力的傳遞，進而影響橋梁其它結構的抗震能力，其主要破壞形式有移位、剪斷以及支座脫落等。

2.2 上部結構

上部結構遭受震害主要是移位，即縱向、橫向發生移位。移位部位通常位于伸縮縫處，具體表現為梁間開脫、落梁、頂撞等。有資料顯示，順橋向落梁在總數中所占比例高達90%，由于這種落梁方式會撞擊到橋墩側壁，對下部結構造成巨大沖擊力，因而破壞力極大。

2.3 下部結構

橋梁的下部包含基礎、橋墩以及橋臺，其遭受破壞后可導致橋梁坍塌，且震后修復難度大，基本不能再投入使用。受水平力影響，薄弱的截面經過反復震動后受到嚴重破壞。延性破壞多指長細的柔性墩，表現為混凝土開裂、塑性變形，其產生原因為焊接不牢、部件配設不足等。脆性破壞多指粗矮橋墩，表現為鋼筋切斷，究其原因為墩柱剪切強度不足。橋臺多表現為滑移、顛覆。基礎的破壞表現為不均勻沉陷、樁基剪切等，其破壞具有隱蔽性，修復難度極大。

3 橋梁震害原因

造成橋梁震害原因較多，主要有地震強度過大，超出橋梁的抗震設防標準；橋梁所處的地理位置不佳，致使地基變形；此外認為原因也可導致橋梁抗震能力不足，例如設計不合理，原材料質量不達標，施工出現操作失誤等。

4 高墩大跨徑連續鋼構橋結構的抗震設計分析

4.1 重視高墩大跨徑連續鋼構橋的總體布置

地震時橋墩頂部位移較大，采用連續鋼構結構有助于減少落梁。墩梁固結為整體，則多余的約束可形成塑性鉸，從而提高橋梁的抗震能力。建設高墩橋時，受地理位置影響，易出現剛度和質量問題。合理調整相鄰橋墩高度，對于連續梁橋，應盡可能保持其剛度相近，并根據橋墩剛度比與周期比進行嚴密計算，減少誤差，增強高墩橋整體抗震能力。

4.2 選擇合適橋墩

在地震中，橋墩形式影響橋梁結構，因而其設計與選型對于抗震安全性具有重要意義。地形與地貌均對橋墩設計產生影響，常見的橋墩形式有門架墩、雙柱墩等，但抗彎與抗扭剛度較差，當橋墩超過30m時，易產生失穩現象。高墩大跨徑連續鋼構橋根據實際情況多采用空心薄壁墩（如圖1、2所示）或者獨柱T型墩，二者各個方向抗扭與抗彎剛度都較好，具有整體性好等優點。而獨柱T型墩適用于高度低于60m時，其原理是將懸挑式蓋梁與墩柱充分結合，其截面尺寸與剛度均較小。而心薄壁墩適用于高度低于80m時，外觀與獨柱T型墩相似，其截面尺寸與剛度均較大。

5 高墩大跨徑連續鋼構橋的抗震計算

5.1 計算時所需考慮的因素

通常受地形、斷層、橋身長度限制，應考慮多點激勵的影響。同一地震，其在地表所呈現的反應不同，因而幅值、頻譜特征各異，再加上空間變化復雜，因而需考慮多方面因素。

地震時，受到高墩自身質量或周期影響，可形成兩個及其以上塑性鉸，而忽略高階振型會導致設計時出現誤差，從而影響橋梁抗震時安全性，因而在設計時應將橋墩高階振型的影響計算在內。

5.2 反應譜方法

在橋梁抗震分析中，反應譜方法較為常用，但其弊端在于地震時假設支座運動規律相同，沒有考慮運動的不一致性。對于處于地形復雜的高墩橋而言，這種不合理的假設造成非線性問題出現較大誤差。

5.3 隨機震動法

該方法是公認的較為合理方法，其結合地震發生的概率，但是計算量較大，同樣也會使非線性問題出現誤差。隨著科技的發展，隨機震動虛擬激勵法應運而生，不僅解決計算量的問題，同時確保計算的精度，具有效率高，使用方便等優勢，在高墩橋梁設計中應用廣泛，但在處理罕見地震時存在局限。

6 高墩大跨徑連續鋼構橋抗震措施

6.1 重視橋墩臺處檔塊設計

地震中抗震檔塊出現剪裂現象，表明其設計對于提高橋梁整體抗震能力具有重要作用。在設計過程中，應重視其余主梁剛度的比值、剪裂的程度，此外針對不同跨徑與結構的橋梁，應根據實際需要設計不同尺寸的檔塊。

6.2 可對支座進行隔振處理

設計高墩橋梁時，可采用疊層、鉛芯橡膠等隔震支座，在橋梁與橋墩的連接處增加柔性，從而降低對地震的反應。

綜上所述，分析高墩大跨徑連續鋼構橋梁結構抗震設計，有助于完善橋梁總體設計，提高橋梁抗震能力，減少經濟損失，并提高橋梁安全性。

參考文獻

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