基于抗震性能考慮的高墩橋梁設計

彭康

摘? 要：通過總結山區高墩橋梁在遭受地震力作用時易出現的病害，結合高墩橋梁的受力特點和常用的抗震分析方法提出在進行山區高端橋梁設計時應考慮的因素并提出相應能增強結構抗震能力的措施，為工程實踐提供參考。

關鍵詞：山區;高墩橋梁;抗震;設計

中圖分類號：U442.55? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0038-02

Abstract： By summarizing the diseases that are easy to occur when high-pier bridges in mountainous areas are subjected to seismic forces， combined with the mechanical characteristics of high-pier bridges and the commonly used seismic analysis methods， this paper puts forward the factors that should be considered in the design of high-end bridges in mountainous areas， and puts forward corresponding measures to enhance the anti-seismic capacity of structures， so as to provide reference for engineering practice.

Keywords： mountain area; high pier bridge; earthquake resistance; design

引言

隨著近年來我國經濟的飛速發展，國家對西部地區和西南部分地區交通設施的投入逐步加大。但由于我國西部地區山高溝深的自然地理條件限制，使得在這類地區修建常規橋梁存在造價高、難以適應地形的缺點，而高墩橋梁由于其跨越能力大、適應線路能力強的特點被廣泛應用于這類地區中，而我國屬于地震活動頻繁的國家之一，地震災害頻發[1]。因此關于山區高墩橋梁的抗震問題引起了研究人員的重視。

1 山區高墩橋梁的特點及主要震害

根據已有的工程經驗和文獻資料總結發現，高墩橋梁具有以下特點：（1）采用變墩高用以滿足山區橋梁平豎曲線半徑較小;（2）山區高墩橋梁的上部結構的結構形式往往采用多跨連續梁或連續剛構;（3）該區域的橋梁下部結構主要采用墩高相差比較懸殊的薄壁空心墩。基于以上特點在對高墩橋梁的前期選址時就應綜合考慮以上多個方面的因素，以提高結構在極端條件下的抗力。

在分析大地震發生后的橋梁震害數據后，發現高墩橋梁的震害主要表現在以下方面[2]。（1）橋臺移位，樁柱傾斜、折斷，施工縫與主梁由于地震力的作用而相互碰撞導致損壞;（2）橋墩下部混凝土壓碎、鋼筋屈服;（3）支座傾斜、剪斷，脫空;（4）抗震擋塊被剪斷、混凝土被壓碎。

2 高墩橋梁在地震中的受力特點

山區高墩橋梁為了適應地形的限制，大多數屬于結構不規則的曲線橋。查閱已有文獻表明，橋梁的地震響應受曲線橋梁的幾何形狀影響，同時橋墩形式也是影響橋梁地震響應的主要因素之一。而山區高墩橋梁大多數采用高墩矮墩的組合的形式，這會使得高墩橋梁在地震中的受力更為復雜，曲線段的斜橋橋墩傳遞給上部結構的地震力與橋梁結構的軸線斜交，使得橋梁的上部結構在平面內轉動;當轉動力大于蓋梁上的抗震擋塊的抵抗能力就會發生落梁破壞，此外還會造成主梁與伸縮縫之間的破壞[3]。在地震力的作用下，高墩的墩頂位移較大。研究成果表明造成墩頂位移較大的主要原因是橋墩的剛度與質量的不平衡。水平地震力的分配主要受相鄰墩的剛度和質量的影響，剛度與所承擔的水平地震力存在線性關系，因此采用連續梁結構的橋梁相鄰跨的剛度應盡可能保持一致，以保證結構的整體抗震能力。

3 抗震設計

3.1 抗震分析方法

在總結前人的研究經驗的基礎上，經過幾十年的發展，抗震的分析手段不斷完善。目前使用較為普遍的抗震分析方法主要是以下三種[4]。（1）增動量分析方法（IDA方法）;（2）反應譜方法;（3）靜力彈塑性方法（push-over方法）。

（1）增動量分析方法（IDA方法）。該方法是近年來發展起來的一種研究結構抗震性能的動力參數分析方法。其主要特點是能夠將一條地震動記錄按照不同的系數調整為多重強度的地震動，將單一的時程分析擴展為增量時程分析。進而得到結構在不同強度的地震動情況下的結構性能。

（2）反應譜分析方法。該方法主要考慮結構各頻段振動幅度最大值和頻譜兩方面忽略地震作用的隨機性。此外只有結構在彈性階段時使用反應譜分析，當結構進入非彈性階段時就需采用時程分析法。我國反應譜方法采用的曲線是根據255條地震波的地震反應平均值繪成，體現的是共性無法反映結構進入塑性的整體結構性能[5]，但該方法在使用上具有一定的局限性。

（3）靜力彈塑性方法（push-over方法）。該方法有動力非線性分析和靜力非線性分析兩大類。其中動力非線性分析能夠較為準確地得到結構在超常規地震下的反應全過程，但在計算過程中計算量較大，分析工作繁雜且計算結果受構件恢復力和屈服模型的影響[6]。靜力彈塑性分析方法主要是在結構計算模型布置按某種規則分布的水平側向力，逐級加大;若構件達到屈服狀態即修改其剛度，使其退出工作狀態，進而改變結構的總體剛度，進行下一階段的計算;如此重復計算直至達到預定狀態（屈服或達到目標位移）;從而得到有關結構抗震性能的結果。

3.2 抗震設計考慮的因素

處于山區的高墩橋梁為了適應地形，大多數采用變墩高的設計。由前文分析可知墩的剛度和質量影響結構承擔的水平地震力，故而在進行抗震設計的時候要充分考慮各方面的因素。

（1）考慮地震的多點激勵。已有的地震記錄資料表明，在經歷同一次地震時，受地形和斷層等因素的影響，即使相隔較近的距離，地震波的振幅、相位、頻譜特性都會表現出較大的差異。因此在對山區高墩橋梁的抗震計算時，應將地震的多點激勵納入考慮。

（2）動力非線性影響。高墩橋梁在承受靜力荷載的作用下就能表現出非線性變形，這類橋梁中承擔軸力的大跨度剛構橋對變形的影響最為突出。地震動對結構影響的實質就是荷載隨時間變化的支座移動產生的荷載，而地震動具有非線性的特點故而對結構的影響屬于非線性影響。

（3）考慮高階振型的影響。在地震力的作用下，高墩的墩身會產生一段塑性鉸區域，地震波的頻譜特性會影響該區域的大小。考慮高階振型的影響能有效提高結構的抗力。此外對于山區高墩橋梁這類橋梁，通常采用墩身截面曲率描述結構的損傷狀態[3]，截面曲率最大的橋墩受高階模態貢獻程度的影響。換言之，高墩橋梁的破壞模式和損傷過程取決于高階模態的貢獻程度。

4 常用的抗震措施

工程實踐中采用一些必要的抗震措施用來降低地震力對結構的損傷。常用的抗震措施有以下四種[7]：（1）順橋向連梁裝置;（2）橋墩處設置抗震擋塊;（3）恰當選擇橋墩的結構類型;（4）新式減隔震支座的運用。

（1）順橋向連梁裝置。順橋向連梁裝置能夠將相鄰跨的梁連接成為整體，結構在遭受地震力的作用時能夠降低梁相對于墩頂蓋梁順橋向的位移，從而避免出現落梁現象。常用的順橋向連梁裝置主要采用抗拉強度較大的精軋螺紋鋼筋或是采用體外預應力束。

（2）橋墩處設置抗震擋塊。抗震擋塊具有結構簡單、施工方便的特點在工程中得到了廣泛的使用。但其屬于剛性抗震措施，在遭遇低于設防烈度的地震時就有可能導致擋塊的混凝土被擠碎，失去其原有的功能。因此在橋梁養護過程中加強對抗震擋塊的維護十分有必要。

（3）恰當選擇橋墩的結構類型。隨著施工技術的發展，新型自耗能橋墩在工程中已經得到運用。這類橋墩采用混凝土角柱、裝配式剛連梁和混凝土薄壁板組成。橋墩在遭受地震力的作用時，混凝土薄壁板吸收地震力產生的能量而產生破壞，從而保護混凝土角柱，保證結構的承載力。

（4）減隔震支座的運用。目前橋梁上廣泛使用的支座主要分為橡膠支座、摩擦擺支座和軟鋼阻尼支座這三類，其中橡膠支座中鉛芯橡膠支座由于其造價較低的優勢得到廣泛的應用。通過在安裝合適的減隔震支座能夠有效降低橋梁在遭受地震力作用時的破壞，從而避免產生嚴重的后果。

5 結束語

山區高墩橋梁由于自身的特點在遭受地震力作用時會產生難以修復的損傷，從而導致交通生命線被迫中斷，對沿線生產生活造成嚴重影響。因此在設計之初就應結合橋梁易出現的病害和現有的抗震分析手段充分考慮各方面的因素，以提高結構的抗震能力。

參考文獻：

[1]ZHIGANG S， ZONGJIN M， JIN'AN C， et al. The Characteristics of Time Series of Strong Earthquakes in the World and the Chinese Mainland[J]. Earthquake Research in China， 2013，27（03）：301-315.

[2]劉文華，黎立新.山區高墩橋梁抗震設計[J].公路，2010（07）：67-72.

[3]盧皓，李建中.強震作用下高墩橋梁抗震性能特點分析[J].地震工程學報，2013，35（04）：858-65.

[4]許慶鵬，丁修璽.淺談高墩橋梁抗震設計[J].科技創新導報，2012（08）：119.

[5]盧皓，管仲國，李建中.高階振型對高墩橋梁抗震性能的影響及其識別[J].振動與沖擊，2012，31（17）：81-85+98.

[6]李茜，王克海，韋韓.高墩梁橋地震響應分析[J].地震工程與工程振動，2006（03）：74-76.

[7]楊榮生.高墩橋梁抗震研究現狀[J].黑龍江科技信息，2017（08）：167.