張瑞德

摘 要：高速公路快速向山區(qū)發(fā)展，產(chǎn)生許多高墩大跨橋梁，山區(qū)橋梁如果遭受自然災(zāi)害，修復(fù)十分困難，所以，要求橋墩結(jié)構(gòu)具有良好的施工質(zhì)量，可較好抵抗自然災(zāi)害。文章分析了高陡邊坡橋梁高墩設(shè)計與施工技術(shù)，從邊坡穩(wěn)定性及地震易損性分析入手，為相關(guān)研究提供借鑒，促使當(dāng)前研究取得實質(zhì)性進展。

關(guān)鍵詞：橋梁；高墩；設(shè)計；施工

近年來，橋梁橋墩高度逐漸增加，上部結(jié)構(gòu)變得更輕，穩(wěn)定性引起的結(jié)構(gòu)安全問題開始出現(xiàn)。國內(nèi)外研究可見，對橋墩施工質(zhì)量、受力性能及抗震防災(zāi)能力等，當(dāng)前缺少快速有效評估方法，無法判斷工作狀態(tài)是否在設(shè)計要求內(nèi)。所以，分析對樁基作用下高陡邊坡的穩(wěn)定性十分重要。對橋梁抗震性能評估與加固研究、工程實踐，我國在這方面較為薄弱，缺少針對性的橋梁抗震性能檢測與評價手段。高墩大跨橋梁在地震作用下比低墩橋梁的非線性更加明顯，國內(nèi)外在高橋墩抗震設(shè)計上存有缺陷，研究高橋墩抗震性能尤為關(guān)鍵。

1 利用有限元法分析邊坡穩(wěn)定性

1.1 有限元法

計算機技術(shù)涌現(xiàn)，有限元理論不斷豐富，邊坡穩(wěn)定分析進入新起點。有限元法本質(zhì)思想，離散聯(lián)系體，轉(zhuǎn)變成有限數(shù)量的大單元體集合，單元體間只通過節(jié)點進行連接與制約，以變換的結(jié)構(gòu)體系替換原來真實連續(xù)體，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)分析處理后，化數(shù)學(xué)問題為求解線性方程組。結(jié)構(gòu)有限元分析往往被分成以下幾個結(jié)構(gòu)過程：單元、單元特性分析、集合成整體、數(shù)值求解。材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、開挖施工過程對邊坡穩(wěn)定的影響等均是有限元考慮對象。結(jié)合土的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，借助有限單元法，獲得各單元應(yīng)力應(yīng)變，根據(jù)各強度指標(biāo)，明確破壞區(qū)所處位置及擴展情況。

1.2 強度屈服準(zhǔn)則

常規(guī)對邊坡穩(wěn)定分析時，極限平衡方程采用“摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則”，穩(wěn)定系數(shù)定義：滑動面抗滑力和下滑力的比值。

1.3 明確邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)

以有限元分析邊坡穩(wěn)定時，可采用減低巖土材料抗剪強度的方式，促使結(jié)構(gòu)達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)，這時折減系數(shù)=邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。從實質(zhì)意義上講，有限元強度折減法類似于傳統(tǒng)方法。

2 對地震易損性的研究

2.1 經(jīng)驗易損性曲線

對收集的地震震害資料，以經(jīng)驗統(tǒng)計方法評估結(jié)構(gòu)易損性，獲得結(jié)構(gòu)易損性曲線。在1995年神戶地震觀測橋梁損傷數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建通過兩參數(shù)對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)表征經(jīng)驗易損性曲線，以最大概率評估參數(shù)。結(jié)合能力與需求形成了認(rèn)識與隨機方面不確定的易損性曲線。國內(nèi)研究者統(tǒng)計唐山大地震中272座鐵路橋梁損傷率，整理分類海城和唐山大地震中受破壞的56座橋梁按結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

2.2 理論易損曲線

理論易損性曲線，計算、分析橋梁地震反應(yīng)而獲得，該方法尤其適用僅有有限震害資料建筑物易的損性評估抑或無地震震害資料。理論易損性分析包含三個參數(shù)：結(jié)構(gòu)抗震性的地震需求、結(jié)構(gòu)抗震能力、地震強度指標(biāo)。當(dāng)前常用的構(gòu)造易損性曲線方法包括非線性靜力分析法、非線性時程分析法、反應(yīng)譜分析法。

其中，能力譜方法，受地震荷載作用，該方法借助簡單化的非線性方法分析結(jié)構(gòu)，是當(dāng)前經(jīng)常用到的非線性靜力分析方法。時程分析法在抗震設(shè)計中被稱作“動態(tài)設(shè)計”。以結(jié)構(gòu)基本運動方程輸入地面加速度記錄，求解積分，繼而獲得整個時間短地震反應(yīng)，非線性分析結(jié)構(gòu)最可靠，可真實反應(yīng)結(jié)構(gòu)在地震作用下引起的響應(yīng)。在理論易損性分析方法中，反應(yīng)譜分析法簡單有效。研究將橋墩模擬成單自由度體系，利用反應(yīng)譜分析法嘗試分析高速公路上橋梁地震易損性。這種方法粗糙簡單，首次進行了地震易損性分析。

2.3 明確橋梁結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)

所有結(jié)構(gòu)理論易損性曲線，其劃分結(jié)構(gòu)損傷等級都不可缺少，而劃分結(jié)構(gòu)損傷等級需依靠結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)，先明確結(jié)構(gòu)破壞準(zhǔn)則，才能確定損傷指標(biāo)。破壞準(zhǔn)則，當(dāng)前破壞準(zhǔn)則包括許多強度準(zhǔn)則，歸納起來有下述幾種：強度破壞準(zhǔn)則、變形破壞準(zhǔn)則、能量破壞準(zhǔn)則能量、變形和能量雙重破壞準(zhǔn)則、基于性能的破壞準(zhǔn)則。

（1）強度破壞準(zhǔn)則，強度破壞準(zhǔn)則是最傳統(tǒng)也是應(yīng)用較為廣泛的破壞準(zhǔn)則，在容許應(yīng)力法或者承載能力極限狀態(tài)法基礎(chǔ)上形成的結(jié)構(gòu)設(shè)計均要使用這個準(zhǔn)則。研究工程抗震前期，若地震力為擬靜力荷載，作用于結(jié)構(gòu)。地震力大小和結(jié)構(gòu)強度決定結(jié)構(gòu)安全性能。強度破壞準(zhǔn)則簡單、直觀、合理。進行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，因為經(jīng)濟因素，往往允許預(yù)期強震動作用引起的結(jié)構(gòu)彈塑性變形，受強震動作用，結(jié)構(gòu)無強度儲備，強度破壞準(zhǔn)則不適用，同時要考慮變形強度準(zhǔn)則。（2）基于性能的破壞準(zhǔn)則，上述結(jié)構(gòu)地震破壞準(zhǔn)則，均和防止倒塌破壞要求相對應(yīng)。近些年國內(nèi)外地震教訓(xùn)慘重，受地震大范圍破壞的城市橋梁雖少，但可能引發(fā)較嚴(yán)重社會后果?？紤]這點，美國學(xué)者在性能基礎(chǔ)上提出抗震設(shè)計思想。（3）變形破壞準(zhǔn)則，變形強度屈服準(zhǔn)則中規(guī)定，允許最大變形破壞界限值，結(jié)構(gòu)最大位移反應(yīng)不超過限值。當(dāng)前各國橋梁抗震設(shè)計規(guī)范，大體不同程度上采用變形強度準(zhǔn)則。（4）能量破壞準(zhǔn)則，當(dāng)前形成的不同抗震設(shè)計技術(shù)與方法，一定程度上以能量概念進行闡述。但以量概念構(gòu)建的破壞準(zhǔn)則應(yīng)用在當(dāng)前實踐中尚有困難。（5）變形和能量雙重破壞準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)破壞由變形與累積耗能共同形成。對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，僅從從理論層面看，相比變形破壞準(zhǔn)則，這種準(zhǔn)則可能是較為合理的破壞準(zhǔn)則，同時兼顧結(jié)構(gòu)最大變形效應(yīng)與累計損傷效應(yīng)。

此外，損傷狀態(tài)和損傷指標(biāo)，現(xiàn)階段我國新建筑規(guī)范將遭受地震的破壞結(jié)構(gòu)分為“基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、倒塌”共五個等級。損傷指標(biāo)的確定，鋼筋混凝土延性構(gòu)件中的非彈性變形能力，源于塑性鉸區(qū)截面的塑性轉(zhuǎn)動能力，在構(gòu)件曲率延性能力基礎(chǔ)上形成。利用橋墩彎矩-曲率，經(jīng)過分析，獲得塑性鉸區(qū)曲率延性能力。地震波的輸入，地震隨機性強，輸入各種地震波，獲得地震響應(yīng)結(jié)果差別較大。地震三要素包括峰值、頻譜特性、地震動持時。但國內(nèi)通常以設(shè)防烈度作抗震設(shè)防，同時結(jié)合已有地震信息，分析地震危險性，獲得地震危險性分析結(jié)果，可輕松獲得地面加速度的概率分布。

3 結(jié)語

高陡邊坡橋梁高墩施工多見于公路橋梁建設(shè)中，是一種常見結(jié)構(gòu)。文章研究了高墩樁基施工中邊坡穩(wěn)定性及易損性能的橋墩抗震評估。橋梁高墩設(shè)計施工要結(jié)合施工特點，分析控制施工問題，確保良好的橋墩施工水平與質(zhì)量。筆者初步分析了高墩大跨橋梁中高墩設(shè)計與施工技術(shù)，因為能力與學(xué)識限制，文中探討尚需深入研究。

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