邱琴忠

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅　蘭州 730050）

0　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)速度不斷加快。由于我國(guó)處于地震多發(fā)地帶，因此在很多橋梁工程設(shè)計(jì)中需要預(yù)先考慮到橋梁的抗震性能。這便要求相關(guān)工程建設(shè)單位了解地震對(duì)橋梁的破壞作用，同時(shí)在具體的橋梁抗震設(shè)計(jì)中結(jié)合地震波的傳遞特征進(jìn)行抗震合理設(shè)計(jì)，提高橋梁安全性。

1　地震對(duì)橋梁的破壞

地震發(fā)生后，地基首先受到?jīng)_擊。如果橋梁施工區(qū)域的地基土質(zhì)松軟，那么受到的破壞性往往較大。因此，橋梁工程中對(duì)地基的選擇有較高的要求。

受到地震波的影響后，橋梁的橋墩墩身會(huì)發(fā)生偏移，支座錨栓會(huì)被剪斷，嚴(yán)重時(shí)還可能出現(xiàn)落梁現(xiàn)象[1-3]。受地震持續(xù)作用，橋墩臺(tái)身會(huì)逐漸斷裂，出現(xiàn)橋梁坍塌的可能。同時(shí)，沙土在河水沖刷下也會(huì)導(dǎo)致橋墩下沉。

橋梁支座是橋梁抗震的重點(diǎn)，支座破壞能夠消除大部分地震力對(duì)橋梁的破壞，阻止地震力傳遞到墩臺(tái)，這樣便能夠有效避免橋梁的主體結(jié)構(gòu)受到進(jìn)一步的損害。但同時(shí)支座破壞也會(huì)導(dǎo)致落梁的情況發(fā)生。

橋梁下部地震破壞常表現(xiàn)為墩柱混凝土開(kāi)裂、鋼筋裸露及彎曲等，從而使橋梁產(chǎn)生很大的塑形變形。出現(xiàn)這一地震病害的原因同橋梁施工是縱向鋼筋搭接不牢、鋼筋連接處焊接不牢有關(guān)。而橋梁框架地震破壞主要包括蓋梁破壞、墩柱破壞以及節(jié)點(diǎn)破壞等，這些地震損害容易導(dǎo)致橋臺(tái)傾斜以及臺(tái)身同上部結(jié)構(gòu)碰撞破壞。

2　橋梁工程中的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1　依照抗震要求做好橋梁各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1.1橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

某大橋立面布置圖如圖1所示。進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合實(shí)際抗震需求對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。主要取8號(hào)、9號(hào)和10號(hào)橋墩進(jìn)行計(jì)算，橋面總寬為11.75 m，車道的凈寬為10.5 m，8號(hào)橋墩的高度為47.5 m。因?yàn)楦鱾€(gè)墩柱的高度存在差異，并且橋梁上部結(jié)構(gòu)因溫度的變化以及汽車制動(dòng)力等因素對(duì)橋梁產(chǎn)生的水平力在橋梁中不會(huì)出現(xiàn)平均分配的情況，所以需要模擬邊界條件。對(duì)于8、9、10號(hào)橋墩組成的一聯(lián)橋梁，約束其豎向位移，水平可自由滑動(dòng)，約束出6個(gè)自由度，利用參數(shù)模擬橋墩蓋梁與T梁固定支座的彈性連接，約束x、y、z、rx、rz 5個(gè)自由度，T梁可繞ry自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1.2支座剛硬度設(shè)計(jì)

根據(jù)橋梁抗震要求，該橋梁的支座為30 m簡(jiǎn)支T梁，規(guī)格為GJZ300×450×63的普通橡膠支座。

支座抗壓需求：s=11.25，E=1×（66×8.95-162）=428.7×1.1=471.5 MPa，G=1.0 MPa。

圖1　某橋梁立面布置示意圖(單位：cm)

單一支座的抗壓強(qiáng)度為：300×450×30×471.5=1 909 575 kN/m。

因?yàn)橐粋€(gè)橋墩頂部均有兩排支座，橫向一排包含5個(gè)支座，單個(gè)蓋梁上設(shè)有兩排橫向的支座，支座的剛度主要按照式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中A為一個(gè)支座的平面面積，平面面積主要為普通橡膠支座的大小；G為橡膠支座剪切彈性模量，取正常值1.0 MPa；t為支座橡膠層的具體厚度，且t=45 mm。將已知數(shù)據(jù)帶入到式中，能夠得出單一支座抗剪強(qiáng)度為：kz=3 000 kN/m。

2.1.3溫度以及收縮徐變力

橋梁收縮徐變對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是借助收縮徐變函數(shù)進(jìn)行判斷。在賦予相應(yīng)的材料之后，依照橋梁建筑施工階段模擬收縮徐變對(duì)橋梁強(qiáng)度的影響。依照現(xiàn)代公路橋梁的設(shè)計(jì)要求以及橋梁界面溫度梯度作用，整體升溫按照25℃考慮，整體降溫按照-20℃考慮。

2.2　地震荷載作用分析

本次橋梁工程項(xiàng)目所在地區(qū)的震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，因此橋梁的抗震設(shè)計(jì)程度為Ⅶ度，抗震設(shè)計(jì)以2008年實(shí)施的GB18306-2001《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[4]為參照標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，地震的震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，依照規(guī)定，公路沿線的橋梁均要提高一度抗震，因此需要增加縱向及橫向的擋塊，加裝橡膠墊片，通過(guò)適當(dāng)增加集中部位的鋼筋來(lái)提升橋梁結(jié)構(gòu)的延性強(qiáng)度。

本次橋梁項(xiàng)目位于7度區(qū)高速公路，橋梁的規(guī)格為B類。橋梁所在場(chǎng)地按照三類計(jì)算，依照相應(yīng)的設(shè)計(jì)，地震的基本烈度設(shè)為7度、地震動(dòng)峰值加速度0.10 g、場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。由此可以確定橋梁的具體類型，橋梁墩高確定為57.5 m，這一高度已經(jīng)超過(guò)了規(guī)定30 m的高度，屬于非規(guī)則橋梁，因此需要對(duì)橋梁抗震要求進(jìn)行分析?？拐鹨罂梢允褂胢m/TH法進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如圖2和圖3所示。

圖2　設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

圖3　地震影響系數(shù)曲線

在模型中進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)換，降二期荷載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量。

2.3　橋墩長(zhǎng)度計(jì)算

當(dāng)前公路橋梁多為多跨簡(jiǎn)支梁以及連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，在計(jì)算橋墩承載力時(shí)，橋墩取極端長(zhǎng)度為l0的值。在實(shí)際的多跨簡(jiǎn)支橋梁以及連續(xù)橋梁的橋墩中，在水平力作用下墩頂常常會(huì)出現(xiàn)一定的水平位移，故橋墩計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)β一般在1～2的范圍以內(nèi)。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，β常常受到諸多因素的影響，比如橋墩高度、剛性強(qiáng)度、支座的特性以及上下部構(gòu)造對(duì)墩柱約束等。因此，工程項(xiàng)目中β的取值常常與規(guī)定值有較大的出入，這也會(huì)導(dǎo)致其橋梁承載力的計(jì)算比較保守[5]。借助三維有限元軟件則能夠很好的模擬出橋梁結(jié)構(gòu)空間受力基本特征，通過(guò)對(duì)實(shí)際施工過(guò)程及使用狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)模擬，得出與實(shí)際要求較為接近的橋梁結(jié)構(gòu)空間受力情況。通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程以及具體使用情況進(jìn)行相應(yīng)模擬，使得橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算上得到了一定優(yōu)化，滿足相關(guān)的橋梁設(shè)計(jì)需求，同時(shí)橋梁的抗震能力得到顯著提升。下面主要介紹使用有限元軟件得出β值，進(jìn)而提升橋梁長(zhǎng)度l0的精度。

表1　構(gòu)件截面計(jì)算結(jié)果

對(duì)于等直徑的橋墩，墩身的抗推剛度需要滿足要求：K=3EI/H3；

有限元軟件中構(gòu)建的抗推剛度要求為：K=力/位移 =F/δ（kN/m）。

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，上部結(jié)構(gòu)在具體施工開(kāi)始前，將單獨(dú)一個(gè)橋墩的抗推剛度標(biāo)記為K墩；上部結(jié)構(gòu)施工完成后，因?yàn)橐宦?lián)橋梁的各個(gè)橋墩存在彈性連接，就等同于在橋墩的墩頂加上了彈性抗推剛度K彈，這便可以得出一聯(lián)橋梁中的抗推剛度為K合=K墩+K彈。如果忽略掉墩頂彈性約束，則有K合=K墩；但如果墩頂?shù)膹椥约s束不可忽略，且彈性約束K彈為無(wú)窮大，則相當(dāng)于墩頂鉸接。同時(shí)依照相關(guān)判斷，對(duì)墩頂?shù)妮S向受壓臨界值進(jìn)行判斷便可以得出墩柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)β。

墩頂?shù)妮S向作用力如果為P，臨界荷載為Pcr，穩(wěn)定方程則為：

依照式（2）就能夠得出墩柱計(jì)算長(zhǎng)度l0或者計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)β。其中式（2）中的u為壓桿計(jì)算長(zhǎng)度相關(guān)參數(shù)，EI是墩柱抗彎強(qiáng)度，H為墩柱高同支座的和。

2.4　單墩抗拒計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果

橋梁抗震設(shè)計(jì)需要進(jìn)行單墩柱承載力極限的計(jì)算，正常的使用極限需組合最大的彎矩對(duì)應(yīng)組合：

1.2×恒載+0.7/1.264×活載+0.7×制動(dòng)力+0.75×風(fēng)荷載+1×溫度降溫+0.8×溫度梯度升（汽車沖擊系數(shù)0.264）

墩柱正截面承載能力按城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（CJJ166-2001）中第5.3.6條進(jìn)行。

墩柱材料包括：（1）混凝土 C30；（2）主筋H RB400。構(gòu)件截面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

3　結(jié)語(yǔ)

為了有效提高橋梁的質(zhì)量及安全性，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要掌握橋梁抗震設(shè)計(jì)方法，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出符合要求的橋梁，加強(qiáng)橋梁抗震設(shè)計(jì)，為人們的生活提供保障。