淺析山區高烈度地震區連續剛構橋抗震設計

夏榮泉

合肥信睦工程建設有限公司 安徽 合肥 230000

引言

本文將以某地方公路橋梁建設作為分析對象，該路段的抗震烈度為9度，并且地形、地貌相對復雜，存在大量的陡坡與深溝，且大跨度結構較多，根據實際調查顯示，該地區的抗震設計已明顯超出橋梁設計規范中的使用范圍，因此需要根據其結構特點，明確抗震概念設計內容，確保后續提出的設計方法切實可行。

1 山區高烈度地震區連續剛構橋抗震概念設計探究

概念設計即是依照地震災害特征以及相關工程經驗所制定的基本設計思路與建設原則，確保結構改造方案切實滿足使用需求，達到解決實際問題的作用。在進行概念設計時需要保證設計后的橋梁結構剛度、延性等指標滿足安全標準，要求各構件組合后能夠保持較高的經濟效益，符合抗震目標。

該主橋的最大橋高為90m，主橋孔跨為連續鋼構結構，在橋梁兩側則是以30m跨先簡支后結構連續T梁為主，橋寬為16m，其中橋型布置立面中的第一聯屬于4×30結構連續T梁，第二聯為（50+90+50）的連續剛構，第三聯同樣為4×30結構連續T梁。主墩則是使用雙肢薄壁墩，屬于墩梁固結形式，而在分墩處則設有滑動支座、在引橋位置采用雙柱式矩形墩、墩頂設置蓋梁、T梁支點則設置高阻尼橡膠支座。山區高烈度地震區連續剛構橋本身擁有較高的變形能力，可以利用墩梁固結的方法進一步限制橋墩變形，借助高墩降低地震作用的不良影響。科學、合理地進行橋墩結構選型以及配筋設置不僅可以保證橋梁整體具有良好的延性，還能形成天然的隔震體系，使抗震效果達到最大化[1]。

該連續剛構橋采用的主墩結構形式為雙薄壁墩，規格為寬8.7m、厚1.5m，由于該路段相對陡峭，因此主墩的墩高具有一定的差異性，分別為50m與40m，如若依照結構力學平移剛度公式計算，可知二者的剛度比為0.49，難以滿足抗震設計規范中的相關要求，會使主墩的受力過于集中，容易引發安全事故。此外，經過模擬主墩橫向寬度與梁底寬度可知，二者寬度相同均為8.7m，這樣主墩的橫向高寬比例分別在6.1與4.5，而橫向偏大的剛度必然會導致樁基礎承受極大的墩底彎矩，從而使基樁壓力過大[2]。

此外，為了保證后續抗震設計能夠有序實行，還要做好公路橋梁檢驗，判斷橋梁的整體性能，比如：擊實檢測，是當前公路橋梁試驗檢測中較為常見的一種，該技術能夠極大的加強所需填土的密度并降低其透水性。在工程過程中，依據所使用的粒徑大小將其分為重型擊實和輕型擊實。粒徑長度小于5mm的土使用輕型擊實，而粒徑在20mm以上的土使用重型擊實。在進行公路橋梁試驗檢測時，通常將較為濕潤的土壤作為研究對象，土壤必須含有一定量的水分，才能保證土的壓實度。實驗過程中所使用的壓實工具為擊實儀器，在擊實完成后，統計相關數據進行曲線圖繪制，得到檢測結果；射線檢測，是目前公路橋梁試驗檢測技術中較為新穎的一種。其方法是通過紅外線技術檢測橋梁中一些相對隱蔽的問題，特別是對于橋梁中一些細小的裂縫和破損，能夠有效地進行檢測，提高工作效率。在施工完成后，同樣以圖形的形式表現出來，根據相關數據分析，進行問題的處理和橋梁的維修工作，進而使橋梁的使用壽命進一步延長。射線檢測技術具有先進性和高效性等特點，使檢測結果更準確、更科學。但也存在一定的安全隱患，檢測技術中的紅外線如果長期使用會產生輻射，危害人體健康。所以在進行射線檢測工作時，一定要提前做好防范措施，盡可能地減小輻射帶來的影響[3]。

綜上所述，在制定抗震設計方案、明確抗震設計基本思路時需要充分考慮各個橋墩的剛度匹配，保證橋梁具有極強的穩定性與安全性，并在原設計上進行適當的構造調整，比如：①將主墩的整體式承臺轉變為縱向分離式承臺，以此達到減少墩底轉動約束剛度的目的，同時要適當降低矮墩的截面大小，以此實現抗震作用的均勻傳遞，防止構件應力過度集中，破壞橋梁結構；②將主墩整體截面進一步拆分成橫向雙柱，起到降低主墩剛度的作用，并保持主橋與引橋的振型頻率一致，在安全標準范圍內加強主墩縱向剛度，控制好梁體位移，使位移量滿足抗震設計規范；③要在主橋分離墩位置布設鋼絲繩支座，這樣當出現位移超出安全標準值時能夠提供極強的水平抗力，進而避免落梁現象的產生。

2 結構動力特性

為有效開展結構動力特性分析，相關工作人員可建立橋梁結構空間線性動力模型。此時，最為實用的軟件是Midas Civil，這種空間有限元分析軟件在橋梁結構分析設計領域應用最廣。基于模型，可對山區高烈度地震區連續鋼構橋梁的梁體加以模擬以便提高結構可靠性。基于空間梁單元模擬，完成主梁、墩柱結構分析，在梁結構當中潛在塑性鉸單元都必須選用合適的截面。比如，選用纖維截面滿足橋墩柱頂底單元以及系梁的結構穩定需求。當然，這一過程中也應該通過作用力模擬完成結構分析。比如，向樁身梁單元施加離散側向土彈簧，使之模擬樁-土機構之間的相互作用力，并在此環節對碰撞效應（相鄰梁端）、限位效應（鋼絲繩與支座摩擦）加以考量，從而實現間隙與鉤單元的科學設置。

從現實角度來看，基于動力特性能夠有效分析結構整體的抗震性；在實際作業環節，基于這一參數可確定該結構的質量與剛度分布情況，從而獲得抗震分析依據。通常來說，結構使用中的部分參數具有抗震控制作用，比如結構前幾階自振頻率和振型。基于此，筆者將依照橋梁前3階振動頻率開展動力特性分析。選用方案一時，橋梁前3階的振動頻率、振動周期以及振型如下：①一階振動頻率為0.265Hz，振動周期為3.770s，振型為主橋縱移；②二階振動頻率為0.376Hz，振動周期為2.658s，振型為引橋第三聯縱移；③三階振動頻率為0.398Hz，振動周期為2.513s，振型為引橋第一聯縱移。而選用方案二時，橋梁前3階的振動頻率、振動周期以及振型如下：①一階振動頻率為0.374Hz，振動周期為2.348s，振型為主橋橫移；②二階振動頻率為0.385Hz，振動周期為2.421s，振型為主橋縱移；③三階振動頻率為0.395Hz，振動周期為2.481s，振型為引橋第三聯縱移。由此可見，無論是主橋還是引橋都未出現較大的自振頻率，這一情況主要源自于橋墩高度與柔性大，而且引橋擁有高阻尼橡膠支座。在使用方案時不難發現，增設墩柱中部系梁會讓主橋的縱向剛度與自振頻率都得到提升；而且，利用分離雙柱形式完成主墩橫截面（整體）調整后，其剛度出現明顯下降。

3 非線性時程

3.1 模擬邊界條件

連續剛構橋的結構地震動反應受到多方面因素影響，其中最具代表性影響有三種：其一是伸縮縫碰撞；其二是滑動支座；其三是鋼絲繩摩擦擺支座的非線性性質。基于這三方面因素帶來的影響，非線性時程分析環節相關工作人員充分考慮材料的非線性影響，并著重分析邊界的非線性影響。鋼絲繩摩擦擺支座位于主橋分聯墩，鋼絲繩處在支座上下鋼板之間并存在一定預留變形余量。當發生罕遇地震時，支座將出現位移進而產生能耗，若其位移量達到預設標準則鋼絲繩將會拉緊，在水平力作用之下梁體將保持穩定可有效避免落梁。

地震之中，橋梁結構中不同組成部分之間的碰撞反應會嚴重威脅橋梁穩定性，更會讓震害發生的概率以及災害嚴重性大增。當前，有關于橋梁碰撞導致震災的研究較為豐富，國內外學者對這一問題都十分關注，不僅從理論角度闡釋問題，還進行了多樣化試驗來驗證和研究橋梁碰撞問題。比如，部分學者基于“Hertz+波動力學”理論，相鄰梁之間的碰撞問題加以研究，不僅利用專業理論描述碰撞過程，更通過Kelvin撞擊模型做出科學模擬分析。基于上述研究結果發現，分析城市梁橋地震碰撞反應時，可在3×105-6×105kN/m范圍內取值，而碰撞恢復系數的建議取值范圍則應控制在0.7～0.95。

3.2 地震動輸入分析

地震輸入分析過程中，相關工作人員可借助于地震安評合成的3條地震波實現非線性時程分析。此時，各相關系數都不超過0.1，各個周期段的實際反應譜值也都與設計情況基本吻合。

3.3 碰撞效應比對

為了更好地完成梁端碰撞效應的分析對比，確保其對非線性抗震結果的影響得到充分呈現，需要進一步探究梁端支座設置鋼絲繩支座以及縱向活動支座時，不同情況下同一地震產生過程中梁體的位移以及形成的內力，同時在對比時需要將梁體間隙控制在25cm左右，并將塑性膠區域指定為纖維界面，將材料的非線性特點考慮到位。為此本文將以最典型的碰撞效應進行分析討論，研究未設置主墩系梁時，各支撐件體系下順橋向位移以及墩柱彎矩等地震響應的實際規律。

圖1是設置鋼絲繩摩擦擺支座墩地彎矩圖，將圖中信息與反應譜標準進行對比，可以發現在出現梁端碰撞時，會有一種明顯的下降，而圖中的7號墩作為最大彎矩M，比反應譜小34%，這種情況的出現也與前期制作的位移情況具有一致性。7號墩在前期設置時并沒有嚴格的考慮碰撞情況，因此在數據顯示中會比常規情況的最大彎矩大89%。雖然有以上情況的出現，但是其整體上還在規范要求的范圍內，不會產生其他較大的影響。在發生地震時，若沒有充分考慮到防震等工作，則很容易使主墩與其他墩產生位移，導致鋼絲繩拉緊，難以保證橋梁的質量，甚至會出現嚴重的安全事故[4]。

圖1 設置鋼絲繩摩擦擺支座墩地彎矩

相關部門在前期規劃中，應充分考慮碰撞因素的影響。在進行相應的調整之后，則可以降低彎矩值90%，這種降低可以幫助截面更好地適應整體情況，使其處于彈性狀態，以此保證整體的安全性以及穩定性。

3.4 設置橫系梁后的結果對比

對于連續剛構橋抗震設計來講，要在計算碰撞情況的基礎上，降低墩梁對整體的影響，若限制因素較多，則很容易使鋼絲繩失去拉緊功能。由于地震的強度以及形式無法預知，因此當出現特殊地震時，若鋼絲繩出現極端拉緊，則會降低邊墩的穩定性。本橋對于整體結構來講非常重要，因此要想進一步增強橋體的質量，就必須在橋體中設置橫系梁，橫系梁的建設可以使邊墩在各種狀況下保持彈性，在這種情況下，彎矩會有所提升，主梁的位移將會從常規的57.5cm降低到33.2cm，且可以規避原有結構在極端情況下出現鋼絲繩拉緊情況的可能性。與此同時，橫系梁的設置可以有效加大內力，提升受壓保護層的質量，降低對橋體結構的損壞。而這種情況也可以更好的降低截面出現塑性的概率，以此保證結構的整體質量，增加其穩定性以及安全性。

4 結束語

綜上所述，在進行山區高烈度地震區連續剛構橋抗震設計時要優先建立正確的設計思路，確保主墩和邊墩的受力較為均衡，充分考慮梁端的碰撞效應，降低主梁的相對位移，實現邊墩彎矩的大幅度減少，并在主墩設置橫系梁、在邊墩設立鋼絲繩，用以縮短結構自振周期，強化橋梁的地震力。而在構件選取上則要充分掌握其抗震效果，合理設定剛度參數，確保整體結構滿足抗震標準。此外，在實際產生地震時要進一步分析梁體偏轉、擋塊碰撞產生的不利影響。