夏榮泉

合肥信睦工程建設(shè)有限公司 安徽 合肥 230000

引言

本文將以某地方公路橋梁建設(shè)作為分析對(duì)象，該路段的抗震烈度為9度，并且地形、地貌相對(duì)復(fù)雜，存在大量的陡坡與深溝，且大跨度結(jié)構(gòu)較多，根據(jù)實(shí)際調(diào)查顯示，該地區(qū)的抗震設(shè)計(jì)已明顯超出橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中的使用范圍，因此需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確抗震概念設(shè)計(jì)內(nèi)容，確保后續(xù)提出的設(shè)計(jì)方法切實(shí)可行。

1 山區(qū)高烈度地震區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋抗震概念設(shè)計(jì)探究

概念設(shè)計(jì)即是依照地震災(zāi)害特征以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)所制定的基本設(shè)計(jì)思路與建設(shè)原則，確保結(jié)構(gòu)改造方案切實(shí)滿足使用需求，達(dá)到解決實(shí)際問(wèn)題的作用。在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí)需要保證設(shè)計(jì)后的橋梁結(jié)構(gòu)剛度、延性等指標(biāo)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，要求各構(gòu)件組合后能夠保持較高的經(jīng)濟(jì)效益，符合抗震目標(biāo)。

該主橋的最大橋高為90m，主橋孔跨為連續(xù)鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)，在橋梁兩側(cè)則是以30m跨先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁為主，橋?qū)挒?6m，其中橋型布置立面中的第一聯(lián)屬于4×30結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，第二聯(lián)為（50+90+50）的連續(xù)剛構(gòu)，第三聯(lián)同樣為4×30結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁。主墩則是使用雙肢薄壁墩，屬于墩梁固結(jié)形式，而在分墩處則設(shè)有滑動(dòng)支座、在引橋位置采用雙柱式矩形墩、墩頂設(shè)置蓋梁、T梁支點(diǎn)則設(shè)置高阻尼橡膠支座。山區(qū)高烈度地震區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋本身?yè)碛休^高的變形能力，可以利用墩梁固結(jié)的方法進(jìn)一步限制橋墩變形，借助高墩降低地震作用的不良影響?？茖W(xué)、合理地進(jìn)行橋墩結(jié)構(gòu)選型以及配筋設(shè)置不僅可以保證橋梁整體具有良好的延性，還能形成天然的隔震體系，使抗震效果達(dá)到最大化[1]。

該連續(xù)剛構(gòu)橋采用的主墩結(jié)構(gòu)形式為雙薄壁墩，規(guī)格為寬8.7m、厚1.5m，由于該路段相對(duì)陡峭，因此主墩的墩高具有一定的差異性，分別為50m與40m，如若依照結(jié)構(gòu)力學(xué)平移剛度公式計(jì)算，可知二者的剛度比為0.49，難以滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)要求，會(huì)使主墩的受力過(guò)于集中，容易引發(fā)安全事故。此外，經(jīng)過(guò)模擬主墩橫向?qū)挾扰c梁底寬度可知，二者寬度相同均為8.7m，這樣主墩的橫向高寬比例分別在6.1與4.5，而橫向偏大的剛度必然會(huì)導(dǎo)致樁基礎(chǔ)承受極大的墩底彎矩，從而使基樁壓力過(guò)大[2]。

此外，為了保證后續(xù)抗震設(shè)計(jì)能夠有序?qū)嵭?，還要做好公路橋梁檢驗(yàn)，判斷橋梁的整體性能，比如：擊實(shí)檢測(cè)，是當(dāng)前公路橋梁試驗(yàn)檢測(cè)中較為常見(jiàn)的一種，該技術(shù)能夠極大的加強(qiáng)所需填土的密度并降低其透水性。在工程過(guò)程中，依據(jù)所使用的粒徑大小將其分為重型擊實(shí)和輕型擊實(shí)。粒徑長(zhǎng)度小于5mm的土使用輕型擊實(shí)，而粒徑在20mm以上的土使用重型擊實(shí)。在進(jìn)行公路橋梁試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，通常將較為濕潤(rùn)的土壤作為研究對(duì)象，土壤必須含有一定量的水分，才能保證土的壓實(shí)度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的壓實(shí)工具為擊實(shí)儀器，在擊實(shí)完成后，統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線圖繪制，得到檢測(cè)結(jié)果；射線檢測(cè)，是目前公路橋梁試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)中較為新穎的一種。其方法是通過(guò)紅外線技術(shù)檢測(cè)橋梁中一些相對(duì)隱蔽的問(wèn)題，特別是對(duì)于橋梁中一些細(xì)小的裂縫和破損，能夠有效地進(jìn)行檢測(cè)，提高工作效率。在施工完成后，同樣以圖形的形式表現(xiàn)出來(lái)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行問(wèn)題的處理和橋梁的維修工作，進(jìn)而使橋梁的使用壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)。射線檢測(cè)技術(shù)具有先進(jìn)性和高效性等特點(diǎn)，使檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確、更科學(xué)。但也存在一定的安全隱患，檢測(cè)技術(shù)中的紅外線如果長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生輻射，危害人體健康。所以在進(jìn)行射線檢測(cè)工作時(shí)，一定要提前做好防范措施，盡可能地減小輻射帶來(lái)的影響[3]。

綜上所述，在制定抗震設(shè)計(jì)方案、明確抗震設(shè)計(jì)基本思路時(shí)需要充分考慮各個(gè)橋墩的剛度匹配，保證橋梁具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性與安全性，并在原設(shè)計(jì)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)臉?gòu)造調(diào)整，比如：①將主墩的整體式承臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向分離式承臺(tái)，以此達(dá)到減少墩底轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度的目的，同時(shí)要適當(dāng)降低矮墩的截面大小，以此實(shí)現(xiàn)抗震作用的均勻傳遞，防止構(gòu)件應(yīng)力過(guò)度集中，破壞橋梁結(jié)構(gòu)；②將主墩整體截面進(jìn)一步拆分成橫向雙柱，起到降低主墩剛度的作用，并保持主橋與引橋的振型頻率一致，在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)加強(qiáng)主墩縱向剛度，控制好梁體位移，使位移量滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范；③要在主橋分離墩位置布設(shè)鋼絲繩支座，這樣當(dāng)出現(xiàn)位移超出安全標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)能夠提供極強(qiáng)的水平抗力，進(jìn)而避免落梁現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

為有效開(kāi)展結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，相關(guān)工作人員可建立橋梁結(jié)構(gòu)空間線性動(dòng)力模型。此時(shí)，最為實(shí)用的軟件是Midas Civil，這種空間有限元分析軟件在橋梁結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用最廣?；谀Ｐ?，可對(duì)山區(qū)高烈度地震區(qū)連續(xù)鋼構(gòu)橋梁的梁體加以模擬以便提高結(jié)構(gòu)可靠性?；诳臻g梁?jiǎn)卧M，完成主梁、墩柱結(jié)構(gòu)分析，在梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中潛在塑性鉸單元都必須選用合適的截面。比如，選用纖維截面滿足橋墩柱頂?shù)讍卧约跋盗旱慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定需求。當(dāng)然，這一過(guò)程中也應(yīng)該通過(guò)作用力模擬完成結(jié)構(gòu)分析。比如，向樁身梁?jiǎn)卧┘与x散側(cè)向土彈簧，使之模擬樁-土機(jī)構(gòu)之間的相互作用力，并在此環(huán)節(jié)對(duì)碰撞效應(yīng)（相鄰梁端）、限位效應(yīng)（鋼絲繩與支座摩擦）加以考量，從而實(shí)現(xiàn)間隙與鉤單元的科學(xué)設(shè)置。

從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)看，基于動(dòng)力特性能夠有效分析結(jié)構(gòu)整體的抗震性；在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，基于這一參數(shù)可確定該結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與剛度分布情況，從而獲得抗震分析依據(jù)。通常來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)使用中的部分參數(shù)具有抗震控制作用，比如結(jié)構(gòu)前幾階自振頻率和振型。基于此，筆者將依照橋梁前3階振動(dòng)頻率開(kāi)展動(dòng)力特性分析。選用方案一時(shí)，橋梁前3階的振動(dòng)頻率、振動(dòng)周期以及振型如下：①一階振動(dòng)頻率為0.265Hz，振動(dòng)周期為3.770s，振型為主橋縱移；②二階振動(dòng)頻率為0.376Hz，振動(dòng)周期為2.658s，振型為引橋第三聯(lián)縱移；③三階振動(dòng)頻率為0.398Hz，振動(dòng)周期為2.513s，振型為引橋第一聯(lián)縱移。而選用方案二時(shí)，橋梁前3階的振動(dòng)頻率、振動(dòng)周期以及振型如下：①一階振動(dòng)頻率為0.374Hz，振動(dòng)周期為2.348s，振型為主橋橫移；②二階振動(dòng)頻率為0.385Hz，振動(dòng)周期為2.421s，振型為主橋縱移；③三階振動(dòng)頻率為0.395Hz，振動(dòng)周期為2.481s，振型為引橋第三聯(lián)縱移。由此可見(jiàn)，無(wú)論是主橋還是引橋都未出現(xiàn)較大的自振頻率，這一情況主要源自于橋墩高度與柔性大，而且引橋擁有高阻尼橡膠支座。在使用方案時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，增設(shè)墩柱中部系梁會(huì)讓主橋的縱向剛度與自振頻率都得到提升；而且，利用分離雙柱形式完成主墩橫截面（整體）調(diào)整后，其剛度出現(xiàn)明顯下降。

3 非線性時(shí)程

3.1 模擬邊界條件

連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)地震動(dòng)反應(yīng)受到多方面因素影響，其中最具代表性影響有三種：其一是伸縮縫碰撞；其二是滑動(dòng)支座；其三是鋼絲繩摩擦擺支座的非線性性質(zhì)。基于這三方面因素帶來(lái)的影響，非線性時(shí)程分析環(huán)節(jié)相關(guān)工作人員充分考慮材料的非線性影響，并著重分析邊界的非線性影響。鋼絲繩摩擦擺支座位于主橋分聯(lián)墩，鋼絲繩處在支座上下鋼板之間并存在一定預(yù)留變形余量。當(dāng)發(fā)生罕遇地震時(shí)，支座將出現(xiàn)位移進(jìn)而產(chǎn)生能耗，若其位移量達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)則鋼絲繩將會(huì)拉緊，在水平力作用之下梁體將保持穩(wěn)定可有效避免落梁。

地震之中，橋梁結(jié)構(gòu)中不同組成部分之間的碰撞反應(yīng)會(huì)嚴(yán)重威脅橋梁穩(wěn)定性，更會(huì)讓震害發(fā)生的概率以及災(zāi)害嚴(yán)重性大增。當(dāng)前，有關(guān)于橋梁碰撞導(dǎo)致震災(zāi)的研究較為豐富，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題都十分關(guān)注，不僅從理論角度闡釋問(wèn)題，還進(jìn)行了多樣化試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證和研究橋梁碰撞問(wèn)題。比如，部分學(xué)者基于“Hertz+波動(dòng)力學(xué)”理論，相鄰梁之間的碰撞問(wèn)題加以研究，不僅利用專(zhuān)業(yè)理論描述碰撞過(guò)程，更通過(guò)Kelvin撞擊模型做出科學(xué)模擬分析?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，分析城市梁橋地震碰撞反應(yīng)時(shí)，可在3×105-6×105kN/m范圍內(nèi)取值，而碰撞恢復(fù)系數(shù)的建議取值范圍則應(yīng)控制在0.7～0.95。

3.2 地震動(dòng)輸入分析

地震輸入分析過(guò)程中，相關(guān)工作人員可借助于地震安評(píng)合成的3條地震波實(shí)現(xiàn)非線性時(shí)程分析。此時(shí)，各相關(guān)系數(shù)都不超過(guò)0.1，各個(gè)周期段的實(shí)際反應(yīng)譜值也都與設(shè)計(jì)情況基本吻合。

3.3 碰撞效應(yīng)比對(duì)

為了更好地完成梁端碰撞效應(yīng)的分析對(duì)比，確保其對(duì)非線性抗震結(jié)果的影響得到充分呈現(xiàn)，需要進(jìn)一步探究梁端支座設(shè)置鋼絲繩支座以及縱向活動(dòng)支座時(shí)，不同情況下同一地震產(chǎn)生過(guò)程中梁體的位移以及形成的內(nèi)力，同時(shí)在對(duì)比時(shí)需要將梁體間隙控制在25cm左右，并將塑性膠區(qū)域指定為纖維界面，將材料的非線性特點(diǎn)考慮到位。為此本文將以最典型的碰撞效應(yīng)進(jìn)行分析討論，研究未設(shè)置主墩系梁時(shí)，各支撐件體系下順橋向位移以及墩柱彎矩等地震響應(yīng)的實(shí)際規(guī)律。

圖1是設(shè)置鋼絲繩摩擦擺支座墩地彎矩圖，將圖中信息與反應(yīng)譜標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)梁端碰撞時(shí)，會(huì)有一種明顯的下降，而圖中的7號(hào)墩作為最大彎矩M，比反應(yīng)譜小34%，這種情況的出現(xiàn)也與前期制作的位移情況具有一致性。7號(hào)墩在前期設(shè)置時(shí)并沒(méi)有嚴(yán)格的考慮碰撞情況，因此在數(shù)據(jù)顯示中會(huì)比常規(guī)情況的最大彎矩大89%。雖然有以上情況的出現(xiàn)，但是其整體上還在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生其他較大的影響。在發(fā)生地震時(shí)，若沒(méi)有充分考慮到防震等工作，則很容易使主墩與其他墩產(chǎn)生位移，導(dǎo)致鋼絲繩拉緊，難以保證橋梁的質(zhì)量，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的安全事故[4]。

圖1 設(shè)置鋼絲繩摩擦擺支座墩地彎矩

相關(guān)部門(mén)在前期規(guī)劃中，應(yīng)充分考慮碰撞因素的影響。在進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整之后，則可以降低彎矩值90%，這種降低可以幫助截面更好地適應(yīng)整體情況，使其處于彈性狀態(tài)，以此保證整體的安全性以及穩(wěn)定性。

3.4 設(shè)置橫系梁后的結(jié)果對(duì)比

對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計(jì)來(lái)講，要在計(jì)算碰撞情況的基礎(chǔ)上，降低墩梁對(duì)整體的影響，若限制因素較多，則很容易使鋼絲繩失去拉緊功能。由于地震的強(qiáng)度以及形式無(wú)法預(yù)知，因此當(dāng)出現(xiàn)特殊地震時(shí)，若鋼絲繩出現(xiàn)極端拉緊，則會(huì)降低邊墩的穩(wěn)定性。本橋?qū)τ谡w結(jié)構(gòu)來(lái)講非常重要，因此要想進(jìn)一步增強(qiáng)橋體的質(zhì)量，就必須在橋體中設(shè)置橫系梁，橫系梁的建設(shè)可以使邊墩在各種狀況下保持彈性，在這種情況下，彎矩會(huì)有所提升，主梁的位移將會(huì)從常規(guī)的57.5cm降低到33.2cm，且可以規(guī)避原有結(jié)構(gòu)在極端情況下出現(xiàn)鋼絲繩拉緊情況的可能性。與此同時(shí)，橫系梁的設(shè)置可以有效加大內(nèi)力，提升受壓保護(hù)層的質(zhì)量，降低對(duì)橋體結(jié)構(gòu)的損壞。而這種情況也可以更好的降低截面出現(xiàn)塑性的概率，以此保證結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，增加其穩(wěn)定性以及安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在進(jìn)行山區(qū)高烈度地震區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)要優(yōu)先建立正確的設(shè)計(jì)思路，確保主墩和邊墩的受力較為均衡，充分考慮梁端的碰撞效應(yīng)，降低主梁的相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)邊墩彎矩的大幅度減少，并在主墩設(shè)置橫系梁、在邊墩設(shè)立鋼絲繩，用以縮短結(jié)構(gòu)自振周期，強(qiáng)化橋梁的地震力。而在構(gòu)件選取上則要充分掌握其抗震效果，合理設(shè)定剛度參數(shù)，確保整體結(jié)構(gòu)滿足抗震標(biāo)準(zhǔn)。此外，在實(shí)際產(chǎn)生地震時(shí)要進(jìn)一步分析梁體偏轉(zhuǎn)、擋塊碰撞產(chǎn)生的不利影響。