高速公路非規則高墩橋梁抗震性能設計研究

摘要 為提高高速公路橋梁通車安全，文章開展高速公路非規則高墩橋梁的抗震性能設計研究。首先，以F高速公路工程為研究對象，分析非規則高墩橋梁在震中的受力特征；然后以此為基礎，優化設計加速度反應譜、橋梁結構剛度等參數，實現高墩橋梁的抗震性能優化。測試結果表明，根據所提方法設計的橋墩，在三向地震波作用下的縱向位移在0.08 mm以內，橫向位移在0.10 mm以內，各方向抗剪力均超過1 000 kN，說明所提方法設計的抗震性能更佳。

關鍵詞 高速公路；非規則；高墩；橋梁；抗震性能設計

中圖分類號 U442.55 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0078-03

0 引言

高速公路是供汽車高速行駛的公路，具有速度快、通行量大、運輸效率高等優勢，在交通運輸領域發揮著重要作用。非規則高墩橋梁是一種非規則的墩身形狀、曲線形狀、墩高等結構[1]。受地形、水文等條件的限制，橋梁的墩高相差懸殊，形成非規則的高墩橋梁。該類橋梁受力較為復雜，在地震作用下會對橋梁結構本身造成破壞，并導致周圍環境出現沉降、液化等問題，不利于高速公路的通行安全[2]。在設計與施工的過程中，非規則高墩橋梁需要綜合考慮地形條件、氣候環境、地質環境，調整抗震參數，從而確保公路橋梁的建設安全性。

抗震性能設計是從整體結構出發，加強結構剛度、強度、延性的設計，以確保橋梁在地震作用下仍能保持穩定的運行態勢[3]?？拐鹦阅茉O計主要包括靜力設計、底部剪力設計、反應譜設計等方面，將慣性力作為靜力，并準確評估橋梁在不同地震作用下的抗震性能。通過加強橋梁連接點與節點，提高脆弱構件的強度與剛度，真正意義上實現整體結構的抗震[4]。該文以橋梁受力特征分析為基礎，開展高速公路非規則高墩橋梁的抗震性能設計這一課題，通過模擬地震作用下的結構響應情況，確定結構位移、抗剪性能等參數，為橋梁抗震性能設計提供科學依據。

1 工程概況

該文以F高速公路為例，對高速公路非規則高墩橋梁抗震性能進行優化設計。F高速公路的起始點為ZK44+818.919，終止點為ZK44+1052.432，橋面凈寬約為11.05 m，共有7跨。上部結構采用連續箱梁布置，下部結構采用非規則高墩布置，能夠滿足此次分析需求。F高速公路橋梁的立面布置情況如圖1所示：

如圖1所示，該高速公路橋梁的最大墩高為50 m，最小墩高為15 m。其中，1、3、5號墩為矩形薄壁空心墩，2、4、6號墩為雙柱墩。

2 高速公路非規則高墩橋梁抗震設計

2.1 高墩橋梁震中受力特征分析

高墩橋在地震作用下存在多種受力，是影響橋梁穩定的關鍵因素[5]。該文分析側移力、水平地震作用力、基底剪力等受力特征，以判斷高墩橋梁多自由度體系的屈服狀態。在地震作用下，前8階振型與周期的變化情況如表1所示。

由表1可見，不同橋墩形式存在不同的振型，不同的震中受力也隨之出現[6]。在地震作用下，橋墩等截面剪切處的側移力表示如下：

（1）

式（1）中，——橋墩等截面剪切處的側移力（kN）；η——等截面剪應力的不均勻系數；q——橋墩分布力峰值（kN）；H——橋墩結構的總體高度（m）；G——柱截面的剪切剛度（kN/m）。在地震方向的單自由度體系加速度等效時，橋梁結構受到的水平地震力表示如下：

（2）

式（2）中，Fs——橋梁結構受到的水平地震力（kN）；mi——橋梁i點的等效阻尼比；ai——等效加速度（m/s2）。在水平地震作用下，橋梁結構受到的基底剪力表示如下：

（3）

式（3）中，K——橋梁結構受到的基底剪力（kN）。根據、Fs、K優化橋梁抗震性能，以確保橋梁的穩定性。

2.2 高墩橋梁抗震性能優化設計

在開展高墩橋梁的抗震性能優化設計過程中，應全面考慮多種影響因素，如橋梁材料特性、幾何構型、地質條件及設計荷載等。為了提升橋梁在地震中的抗毀能力，必須對各種建筑材料進行深入分析，挑選出既具備高抗拉強度又具有良好延展性的材料。利用先進材料如高性能混凝土與鋼材，能夠有效增強橋梁結構在抗剪及抗彎方面的性能。

針對橋梁結構設計中的幾何形態，橋墩的形狀和大小需經過精確優化，以便在地震發生時，能夠有效地分解并傳導地震產生的能量。對于非規則高墩橋梁，應采取變截面設計策略，賦予上部與下部不同的截面形狀及尺寸，從而優化整體結構的穩定性、提升其抗震能力；應進行地質勘察，掌握橋梁所在區域的地質和水文狀況，并據此選擇恰當的橋墩基礎類型與施工深度，以保證基礎結構具備必要的承載能力和抗震特性。

在設計橋梁結構時，必須全面考慮其在日常負荷及地震影響下的各類荷載組合，進而開展抗震性能的分析和規劃工作。借助有限元分析技術，構建橋梁結構的精細化模型，對地震影響下的結構反應進行模擬，評估其在地震中的位移、內力及應力狀況，以驗證橋梁設計的抗震安全性。

墩地反應譜分析結果如表2所示：

如表2所示，1#為1號墩；2#為2號墩。fx為縱向地震荷載作用下的剪力；fy為橫向地震荷載作用下的剪力；fz為豎向地震荷載作用下的剪力。mx為縱向地震荷載作用下的彎矩；my為橫向地震荷載作用下的彎矩；mz為豎向地震荷載作用下的彎矩。I1為墩底，自重1.0 kN，縱向地震荷載為1.0 kN，橫向、豎向地震荷載為0的荷載組合方式[7]；I2為墩底，自重1.0 kN，橫向地震荷載為1.0 kN，縱向、豎向地震荷載為0的荷載組合方式；I3為墩底，自重1.0 kN，豎向地震荷載為1.0 kN，橫向、縱向地震荷載為0的荷載組合方式；I4為墩底，自重1.2 kN，無縱向、橫向、豎向地震荷載的組合方式[8]。在此條件下，優化橋梁抗震性能參數，公式如下：

（4）

式（4）中，Smax——橋梁水平抗震性能優化設計的加速度反應譜最大值；Ci——抗震重要性系數；Cs——場地系數，反映地震受力特性對橋梁抗震性能的影響；Cd——阻尼調整系數。橋梁結構剛度表示如下：

（5）

式（5）中，P——橋梁結構剛度（kN/m）；Gd——橋梁結構的動剪切模量（Pa）；St——橋梁結構的剪切面積（m2）。根據橋梁水平設計加速度反應譜、橋梁結構剛度等參數，優化高墩橋梁抗震性能，避免橋墩位移對橋梁安全的影響。

3 橋梁抗震性能評估結果

從橋墩位移、主墩墩頂的抗剪力兩個方面，評估橋梁抗震性能，判斷抗震性能的優化效果。位移評估結果如表3所示：

如表3所示，在高速公路運行的過程中，橋墩的最大位移在±5.0 mm以內即可確保橋墩的抗震效果。在單向地震波作用下，橫向位移約等于0 mm，縱向位移在0.03 mm以內，抗震性能較佳；在雙向地震波作用下，縱向位移在0.05 mm以內，橫向位移在0.06 mm以內，抗震性能同樣良好；在三向地震波作用下，縱向位移在0.08 mm以內，橫向位移在0.10 mm以內，抗震性能也比較良好。由此可見，高墩橋梁抗震性能經優化設計后，橋墩的抗震性能較佳。在地震波作用下，橋梁主墩墩頂的最大抗剪力情況如表4所示：

如表4所示，抗剪力與剪力對應，是抵抗剪切的力，以此可以判斷橋梁的抗震性能。高墩橋梁抗震性能經優化設計后，各個方向的抗剪力均超過1 000 kN。也就是說，無論是單向、雙向，還是三向地震波作用下，均能夠抵抗1 000 kN的剪力，橋梁主墩墩頂在受到剪切破壞時，其抵抗強度更高，能夠確保高速公路非規則橋梁的安全性，符合該文的研究目的。

4 結束語

近年來，高速公路成為連接城市與鄉村、城市與城市的重要橋梁，不僅促進了經濟交流，還減輕了交通壓力，對于城市交通的發展具有重要作用。非規則高墩橋梁受其獨特的優勢影響，廣泛應用于高速公路建設中。該文以非規則高墩橋梁形式為主，研究了高速公路非規則高墩橋梁抗震性能設計這一課題，從受力特征分析、抗震性能優化、抗震性能評估等方面，深入分析了高墩橋梁的抗震性能，并綜合考慮橋梁形狀、材料特性、荷載作用、地震作用等影響因素，真正意義上實現了橋梁抗震性能的優化，為高速公路的運行提供了安全保障。

參考文獻

[1]董慧慧，古智鈞，杜修力，等.近場脈沖型地震作用下附加支撐雙柱式搖擺橋墩的抗震性能研究[J].工程力學， 2024（5）：13-25.

[2]董俊，曾永平，冷丹.九度地震區高速鐵路簡支梁合理減隔震體系分析[J].哈爾濱工業大學學報， 2023（11）：115-124+134.

[3]謝皓宇，牛松山，鄭萬山，等.基于CRITIC-熵權法的橋梁地震風險多尺度評估[J].重慶交通大學學報（自然科學版）， 2023（7）：15-20.

[4]劉振亮，趙存寶，吳云鵬，等.數據驅動的公路橋梁網絡全壽命抗震韌性評估[J].吉林大學學報（工學版）， 2023（6）：1695-1701.

[5]施鐘淇，金楠，金典琦，等.地震作用下考慮橋面板-橋臺摩擦接觸因素的簡支斜交橋梁抗震設計需求研究[J].建筑結構， 2023（S1）：844-848.

[6]王德斌，何杰，孫治國，等.具有位移放大功能的摩擦自復位支撐及其在雙柱式橋墩中的應用[J].振動與沖擊， 2023（2）：51-59.

[7]苗建寶，蘭方言，周敉.中小跨徑典型梁式橋抗震結構體系優化研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版）， 2022（6）：1073-1077+1084.

[8]孫治國，王嚴信，王東升，等.近斷層豎向地震動下雙層橋梁排架墩抗震性能分析[J].應用基礎與工程科學學報， 2022（6）：1494-1504.

收稿日期：2024-07-22

作者簡介：馬正（1993—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：高速公路橋涵設計。