趙繼棟

(青海省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 西寧 810008)

引言

在公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要注重橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，尤其是在地震區(qū)的橋梁建設(shè)，更應(yīng)注重提高公路橋梁結(jié)構(gòu)的整體性和安全性，避免結(jié)構(gòu)在受到地震作用時(shí)，產(chǎn)生較大的破壞，進(jìn)而引發(fā)安全事故[1]。為此需要針對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)，保證其在地震發(fā)生后依然能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，降低地震來(lái)臨時(shí)對(duì)公路橋梁安全的影響。

1 工程概況

本次所選工程實(shí)例處于地震斷裂帶，橋址處抗震等級(jí)相對(duì)較高，在進(jìn)行公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該針對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該項(xiàng)公路工程中的橋梁跨徑相差較大，下部結(jié)構(gòu)各個(gè)橋墩之間存在較大的剛度差，因此在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)準(zhǔn)確選取抗震參數(shù)，并按照最不利工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)，橋梁抗震設(shè)計(jì)工作具體包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗震措施、抗震計(jì)算和抗震設(shè)計(jì)等內(nèi)容[2]。

2 選取計(jì)算結(jié)構(gòu)

2.1 計(jì)算方法

本項(xiàng)工程中進(jìn)行的抗震設(shè)計(jì)主要是以公路橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)依據(jù)，參考設(shè)計(jì)細(xì)則中的相關(guān)條文,對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)橫橋向和順橋向分別進(jìn)行抗震計(jì)算分析,該橋梁上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)梁，中間墩柱與上部結(jié)構(gòu)選擇盆式固定支座，剩下的墩柱選擇雙向和單向盆式支座形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，在橋梁結(jié)構(gòu)受到地震作用時(shí)，順橋向的地震力主要集中在固定支座，而橫橋向產(chǎn)生的地震力會(huì)分散到各個(gè)墩柱上。

2.2 橋址處地震動(dòng)參數(shù)的選取

該公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)地震動(dòng)參數(shù)如下：場(chǎng)地系數(shù)1.2、地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.55s、區(qū)劃圖中的特征周期為0.4s、場(chǎng)地類型是Ш類、該橋位處地震峰值加速度為0.2g、地震環(huán)境中抗震重要性系數(shù)為0.43、抗震設(shè)防烈度為8度[3]。

2.3 結(jié)構(gòu)選擇

公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算單位主要是以伸縮縫或結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作為分割界限，本次便利用該種方法把橋梁工程劃分為數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)。但在抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)需針對(duì)全部單元進(jìn)行抗震性能分析，充分聯(lián)系實(shí)際設(shè)計(jì)要求，選擇幾個(gè)抗震薄弱區(qū)段進(jìn)行設(shè)計(jì)即可，所選的單元應(yīng)該能夠體現(xiàn)橋梁真實(shí)的受力狀況。如表1為本項(xiàng)目公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震性能控制計(jì)算單元。

表1 抗震設(shè)計(jì)控制計(jì)算單元

劃分單元時(shí)，需要重點(diǎn)結(jié)合橋梁的墩高、最大跨徑、橋梁全長(zhǎng)、橋梁寬度等進(jìn)行綜合考慮。因?yàn)樵跇蛄旱膶?shí)際抗震設(shè)計(jì)中，上述幾種因素都會(huì)影響質(zhì)量及剛度，進(jìn)而對(duì)橋梁的抗震性能產(chǎn)生影響。因此，在實(shí)際抗震計(jì)算及設(shè)計(jì)中，為了使整個(gè)計(jì)算過(guò)程得以簡(jiǎn)化，可以選擇其中影響最大的因素進(jìn)行考量，明確橋梁墩柱實(shí)際尺寸，并將其作為基礎(chǔ)參考，聯(lián)系其他因素，對(duì)墩柱橫截面進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了提高橋梁上部結(jié)構(gòu)和墩柱整體協(xié)調(diào)性，本項(xiàng)工程項(xiàng)目中主要將橋?qū)挾犬?dāng)成基礎(chǔ)依據(jù)，在橋?qū)捯欢ǖ那闆r下，最大聯(lián)長(zhǎng)決定了順橋向的最大地震作用力，最大橋梁跨徑?jīng)Q定了橫橋向的最大地震作用力。

3 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

在研究公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的過(guò)程中，可以將下部結(jié)構(gòu)單獨(dú)作為研究對(duì)象，運(yùn)用反應(yīng)譜法相關(guān)計(jì)算公式，對(duì)具體參數(shù)實(shí)施準(zhǔn)確計(jì)算。通過(guò)抗震計(jì)算，得出順橋向支座處的地震作用力以及橫橋向?qū)τ跇蛄荷喜拷Y(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的地震作用力。然后根據(jù)具體計(jì)算，得到相應(yīng)地震力條件下橋梁整體水平位移和基礎(chǔ)頂面所產(chǎn)生的水平位移。并通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算，得到順橋向與橫橋向的包含地震效益的組合效應(yīng)，進(jìn)而根據(jù)橋梁受壓部件在相應(yīng)的規(guī)范下強(qiáng)度，對(duì)橋梁墩柱的縱筋配置進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。公路橋梁結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常選擇在地質(zhì)情況較好的位置作為地基基礎(chǔ)，針對(duì)下部橋臺(tái)結(jié)構(gòu)需要盡量選擇T型結(jié)構(gòu)或U型結(jié)構(gòu)，如此能夠促進(jìn)公路橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的有效提升。如果橋址處施工條件比較好，還可以通過(guò)選擇重力式橋臺(tái)，該種橋臺(tái)形式抗震能力與其他形式橋臺(tái)相比，抗震性能更為突出，且施工成本相對(duì)較低，施工流程便捷，工程經(jīng)濟(jì)效益良好。上下部連接構(gòu)件也是地震作用時(shí)整個(gè)公路橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)最容易被破壞的部位，因此需要加強(qiáng)該部分的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。伸縮縫和支座都屬于連接構(gòu)件，若選擇伸縮縫形式，應(yīng)該提升伸縮縫變形能力，以免在地震過(guò)程中破壞。

4 樁基礎(chǔ)與墩柱設(shè)計(jì)

橋墩墩柱底部截面存在塑性鉸區(qū)域，結(jié)合地震所產(chǎn)生的作用力并通過(guò)順橋向和橫橋向所形成的極限彎曲值，能夠?qū)Χ罩浣钸M(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，其中需要重點(diǎn)關(guān)注的是構(gòu)件的最不利軸力以及材料強(qiáng)度等[5]。將軸力值、剪力和極限彎曲值進(jìn)行相應(yīng)組合，可以得到最不利效應(yīng)組合，在該最不利受力狀態(tài)下，要求使樁基礎(chǔ)始終維持彈性狀態(tài)，并且還應(yīng)該根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算樁基承載能力，確定合理樁徑、樁長(zhǎng)以及配筋率，確保樁的承受能力控制在安全范圍內(nèi)[6]。

對(duì)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該綜合考慮各種因素。其中最為重要的是極限彎矩值，通過(guò)極限彎矩值能夠進(jìn)一步確定樁基礎(chǔ)尺寸和配筋數(shù)量，同時(shí)還可以根據(jù)相應(yīng)的剪力值對(duì)樁基的有效長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)樁頂軸力值進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，需綜合考慮跨徑、孔數(shù)以及橋梁寬度、樁徑等因素。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇較為簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)關(guān)鍵因素假定法實(shí)施計(jì)算，從而得到最佳的橋梁結(jié)構(gòu)。在樁基設(shè)計(jì)時(shí)，最為重要的內(nèi)容便是計(jì)算豎向承載力。結(jié)合有效計(jì)算能夠得到此次的下部結(jié)構(gòu)形式如下：橋的整體寬度為17m或13m條件下，下部結(jié)構(gòu)應(yīng)該按照三樁柱式及以上為基礎(chǔ)形式。橋?qū)挾葹?m或9.5m的條件下，可以設(shè)計(jì)為雙樁柱式結(jié)構(gòu)。選定下部結(jié)構(gòu)形式后，應(yīng)該通過(guò)剪力值和軸力值對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，保證墩柱強(qiáng)度能夠滿足規(guī)范要求。

5 抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中需要重視以下內(nèi)容：第一是選擇最佳的墩柱截面設(shè)計(jì)，墩柱截面過(guò)小，會(huì)降低墩柱強(qiáng)度，從而不能滿足公路橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能要求；墩柱截面過(guò)大，便會(huì)產(chǎn)生墩柱結(jié)構(gòu)承載力超標(biāo)的問(wèn)題，使橋梁整個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)建尺寸過(guò)大。第二是對(duì)固定支座墩柱進(jìn)行選擇的過(guò)程中，通常不會(huì)挑選矮墩結(jié)構(gòu)形式，由于矮墩整體剛性相對(duì)較好，會(huì)對(duì)整個(gè)橋梁抗震性產(chǎn)生不良影響[7]。第三是橋柱之間和邊梁兩端需要維持充足縫隙，避免在產(chǎn)生地震問(wèn)題時(shí)，形成落梁現(xiàn)象。第四是在橋墩的上部位置通常會(huì)安裝幾種鋼混結(jié)構(gòu)限位塊，避免在出現(xiàn)地震問(wèn)題時(shí)形成橫線位移。第五是橋臺(tái)背墻和梁段之間需添加設(shè)置膠塊，通過(guò)該種方法能夠幫助對(duì)水平地震力形成緩沖，減少壓力。第六是此次公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要選擇了抗震性能較好的橡膠盆式底部支座，通過(guò)這一支座可以有效強(qiáng)化橋梁整體抗震性能，針對(duì)墩柱頂部尺寸實(shí)施計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)該合理控制支座尺寸，使其低于墩頂尺寸。

6 提升結(jié)構(gòu)抗震性能的具體方法

公路橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)抗震性能設(shè)計(jì)需要從整個(gè)橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中體現(xiàn)出來(lái)，一旦明確具體的橋梁設(shè)計(jì)方案，便需針對(duì)抗震性能進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，并結(jié)合抗震計(jì)算和驗(yàn)算工作設(shè)計(jì)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。

6.1 通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)提高抗震性能

通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)提高其抗震性能是目前公路工程中中小跨徑橋梁常用的抗震設(shè)計(jì)方法之一。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)形式、尺寸、配筋等方面的設(shè)計(jì)，使橋梁在受到地震作用時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性及彈性工作狀態(tài)，使橋梁結(jié)構(gòu)不被破壞，從而能夠較好的提高橋梁抗震性能。但是在實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于橋址處地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有好有壞，使得橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法在運(yùn)用過(guò)程中的效果差異較大[8]。對(duì)于抗震設(shè)防烈度較大的地區(qū)，應(yīng)用強(qiáng)度設(shè)計(jì)提高橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能時(shí)，抗震設(shè)計(jì)不易操作，震后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)較為困難。

6.2 利用材料的延性來(lái)調(diào)高橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能

對(duì)于公路橋梁，在強(qiáng)震作用下橋梁下部結(jié)構(gòu)墩柱柱底截面會(huì)產(chǎn)生塑性鉸，即墩底截面破壞，吸收能量，從而保護(hù)橋梁上部結(jié)構(gòu)及其他部位。因此，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，延性設(shè)計(jì)也是較為常用的方法，尤其是針對(duì)高墩大跨橋梁，該方法具有顯著效果。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)期橋梁結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)和破壞部位[9]，但地震過(guò)后對(duì)破壞部位進(jìn)行修復(fù)較為困難，且不一定能達(dá)到預(yù)期效果。

6.3 利用減隔震裝置提升公路橋梁結(jié)構(gòu)整體抗震性能

設(shè)置減隔震裝置是目前應(yīng)用越來(lái)越廣泛的隔震措施及典型的抗震方法。近年來(lái)，我國(guó)逐漸在各類橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用間隔震裝置來(lái)提高橋梁的抗震性能，尤其是在大跨徑斜拉橋、懸索橋中采用隔震支座、阻尼器等[10]。利用該種方法可以促進(jìn)公路橋梁結(jié)構(gòu)阻尼和柔性的有效提升，減少地震對(duì)于橋梁所產(chǎn)生的作用。隔震支座在實(shí)際應(yīng)用中擁有較高的抗震性能，在提高公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能時(shí)，除了設(shè)置隔震支座這一方法之外，同時(shí)還可以通過(guò)不斷優(yōu)化提升阻尼消耗能量來(lái)實(shí)現(xiàn)。若能夠?qū)煞N裝置結(jié)合起來(lái)，可大幅提高橋梁抗震性能。減震裝置以及隔震支座可以進(jìn)一步擴(kuò)大地震作用影響下公路橋梁結(jié)構(gòu)的塑性變形，減少橋梁結(jié)構(gòu)所受到的損害，提升橋梁整體抗震性能[11]。但公路工程中，中小跨徑橋梁較多，采用減隔震裝置會(huì)增加工程造價(jià)。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了提高結(jié)構(gòu)的整體性，應(yīng)該重點(diǎn)考慮橋梁結(jié)構(gòu)的功能性、安全性與可靠性。為此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要針對(duì)地震所能造成的不利影響進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)橋梁的地震反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，從各種環(huán)節(jié)入手，采用合理的抗震設(shè)計(jì)理念，針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理抗震設(shè)計(jì)，確保橋梁結(jié)構(gòu)在受到地震作用時(shí)依然可以保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)。