彭康

摘? 要：通過總結(jié)山區(qū)高墩橋梁在遭受地震力作用時(shí)易出現(xiàn)的病害，結(jié)合高墩橋梁的受力特點(diǎn)和常用的抗震分析方法提出在進(jìn)行山區(qū)高端橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素并提出相應(yīng)能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震能力的措施，為工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：山區(qū);高墩橋梁;抗震;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U442.55? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國家對(duì)西部地區(qū)和西南部分地區(qū)交通設(shè)施的投入逐步加大。但由于我國西部地區(qū)山高溝深的自然地理?xiàng)l件限制，使得在這類地區(qū)修建常規(guī)橋梁存在造價(jià)高、難以適應(yīng)地形的缺點(diǎn)，而高墩橋梁由于其跨越能力大、適應(yīng)線路能力強(qiáng)的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于這類地區(qū)中，而我國屬于地震活動(dòng)頻繁的國家之一，地震災(zāi)害頻發(fā)[1]。因此關(guān)于山區(qū)高墩橋梁的抗震問題引起了研究人員的重視。

1 山區(qū)高墩橋梁的特點(diǎn)及主要震害

根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)資料總結(jié)發(fā)現(xiàn)，高墩橋梁具有以下特點(diǎn)：（1）采用變墩高用以滿足山區(qū)橋梁平豎曲線半徑較小;（2）山區(qū)高墩橋梁的上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式往往采用多跨連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu);（3）該區(qū)域的橋梁下部結(jié)構(gòu)主要采用墩高相差比較懸殊的薄壁空心墩。基于以上特點(diǎn)在對(duì)高墩橋梁的前期選址時(shí)就應(yīng)綜合考慮以上多個(gè)方面的因素，以提高結(jié)構(gòu)在極端條件下的抗力。

在分析大地震發(fā)生后的橋梁震害數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)高墩橋梁的震害主要表現(xiàn)在以下方面[2]。（1）橋臺(tái)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(dǎo)致?lián)p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(diǎn)

山區(qū)高墩橋梁為了適應(yīng)地形的限制，大多數(shù)屬于結(jié)構(gòu)不規(guī)則的曲線橋。查閱已有文獻(xiàn)表明，橋梁的地震響應(yīng)受曲線橋梁的幾何形狀影響，同時(shí)橋墩形式也是影響橋梁地震響應(yīng)的主要因素之一。而山區(qū)高墩橋梁大多數(shù)采用高墩矮墩的組合的形式，這會(huì)使得高墩橋梁在地震中的受力更為復(fù)雜，曲線段的斜橋橋墩傳遞給上部結(jié)構(gòu)的地震力與橋梁結(jié)構(gòu)的軸線斜交，使得橋梁的上部結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)力大于蓋梁上的抗震擋塊的抵抗能力就會(huì)發(fā)生落梁破壞，此外還會(huì)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(zhì)量的不平衡。水平地震力的分配主要受相鄰墩的剛度和質(zhì)量的影響，剛度與所承擔(dān)的水平地震力存在線性關(guān)系，因此采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的橋梁相鄰跨的剛度應(yīng)盡可能保持一致，以保證結(jié)構(gòu)的整體抗震能力。

3 抗震設(shè)計(jì)

3.1 抗震分析方法

在總結(jié)前人的研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過幾十年的發(fā)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(dòng)量分析方法（IDA方法）;（2）反應(yīng)譜方法;（3）靜力彈塑性方法（push-over方法）。

（1）增動(dòng)量分析方法（IDA方法）。該方法是近年來發(fā)展起來的一種研究結(jié)構(gòu)抗震性能的動(dòng)力參數(shù)分析方法。其主要特點(diǎn)是能夠?qū)⒁粭l地震動(dòng)記錄按照不同的系數(shù)調(diào)整為多重強(qiáng)度的地震動(dòng)，將單一的時(shí)程分析擴(kuò)展為增量時(shí)程分析。進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度的地震動(dòng)情況下的結(jié)構(gòu)性能。

（2）反應(yīng)譜分析方法。該方法主要考慮結(jié)構(gòu)各頻段振動(dòng)幅度最大值和頻譜兩方面忽略地震作用的隨機(jī)性。此外只有結(jié)構(gòu)在彈性階段時(shí)使用反應(yīng)譜分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性階段時(shí)就需采用時(shí)程分析法。我國反應(yīng)譜方法采用的曲線是根據(jù)255條地震波的地震反應(yīng)平均值繪成，體現(xiàn)的是共性無法反映結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的整體結(jié)構(gòu)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(dòng)力非線性分析和靜力非線性分析兩大類。其中動(dòng)力非線性分析能夠較為準(zhǔn)確地得到結(jié)構(gòu)在超常規(guī)地震下的反應(yīng)全過程，但在計(jì)算過程中計(jì)算量較大，分析工作繁雜且計(jì)算結(jié)果受構(gòu)件恢復(fù)力和屈服模型的影響[6]。靜力彈塑性分析方法主要是在結(jié)構(gòu)計(jì)算模型布置按某種規(guī)則分布的水平側(cè)向力，逐級(jí)加大;若構(gòu)件達(dá)到屈服狀態(tài)即修改其剛度，使其退出工作狀態(tài)，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)的總體剛度，進(jìn)行下一階段的計(jì)算;如此重復(fù)計(jì)算直至達(dá)到預(yù)定狀態(tài)（屈服或達(dá)到目標(biāo)位移）;從而得到有關(guān)結(jié)構(gòu)抗震性能的結(jié)果。

3.2 抗震設(shè)計(jì)考慮的因素

處于山區(qū)的高墩橋梁為了適應(yīng)地形，大多數(shù)采用變墩高的設(shè)計(jì)。由前文分析可知墩的剛度和質(zhì)量影響結(jié)構(gòu)承擔(dān)的水平地震力，故而在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮各方面的因素。

（1）考慮地震的多點(diǎn)激勵(lì)。已有的地震記錄資料表明，在經(jīng)歷同一次地震時(shí)，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(huì)表現(xiàn)出較大的差異。因此在對(duì)山區(qū)高墩橋梁的抗震計(jì)算時(shí)，應(yīng)將地震的多點(diǎn)激勵(lì)納入考慮。

（2）動(dòng)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(xiàn)出非線性變形，這類橋梁中承擔(dān)軸力的大跨度剛構(gòu)橋?qū)ψ冃蔚挠绊懽顬橥怀?。地震?dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響的實(shí)質(zhì)就是荷載隨時(shí)間變化的支座移動(dòng)產(chǎn)生的荷載，而地震動(dòng)具有非線性的特點(diǎn)故而對(duì)結(jié)構(gòu)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(huì)產(chǎn)生一段塑性鉸區(qū)域，地震波的頻譜特性會(huì)影響該區(qū)域的大小。考慮高階振型的影響能有效提高結(jié)構(gòu)的抗力。此外對(duì)于山區(qū)高墩橋梁這類橋梁，通常采用墩身截面曲率描述結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)[3]，截面曲率最大的橋墩受高階模態(tài)貢獻(xiàn)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(tài)的貢獻(xiàn)程度。

4 常用的抗震措施

工程實(shí)踐中采用一些必要的抗震措施用來降低地震力對(duì)結(jié)構(gòu)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(shè)置抗震擋塊;（3）恰當(dāng)選擇橋墩的結(jié)構(gòu)類型;（4）新式減隔震支座的運(yùn)用。

（1）順橋向連梁裝置。順橋向連梁裝置能夠?qū)⑾噜徔绲牧哼B接成為整體，結(jié)構(gòu)在遭受地震力的作用時(shí)能夠降低梁相對(duì)于墩頂蓋梁順橋向的位移，從而避免出現(xiàn)落梁現(xiàn)象。常用的順橋向連梁裝置主要采用抗拉強(qiáng)度較大的精軋螺紋鋼筋或是采用體外預(yù)應(yīng)力束。

（2）橋墩處設(shè)置抗震擋塊?？拐饟鯄K具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便的特點(diǎn)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(shè)防烈度的地震時(shí)就有可能導(dǎo)致?lián)鯄K的混凝土被擠碎，失去其原有的功能。因此在橋梁養(yǎng)護(hù)過程中加強(qiáng)對(duì)抗震擋塊的維護(hù)十分有必要。

（3）恰當(dāng)選擇橋墩的結(jié)構(gòu)類型。隨著施工技術(shù)的發(fā)展，新型自耗能橋墩在工程中已經(jīng)得到運(yùn)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(shí)，混凝土薄壁板吸收地震力產(chǎn)生的能量而產(chǎn)生破壞，從而保護(hù)混凝土角柱，保證結(jié)構(gòu)的承載力。

（4）減隔震支座的運(yùn)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(jià)較低的優(yōu)勢(shì)得到廣泛的應(yīng)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(shí)的破壞，從而避免產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

5 結(jié)束語

山區(qū)高墩橋梁由于自身的特點(diǎn)在遭受地震力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生難以修復(fù)的損傷，從而導(dǎo)致交通生命線被迫中斷，對(duì)沿線生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。因此在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)結(jié)合橋梁易出現(xiàn)的病害和現(xiàn)有的抗震分析手段充分考慮各方面的因素，以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

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