中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)理念及方法

◎ 盧宇波　廣州市恒津路橋設(shè)計(jì)咨詢有限公司

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中小跨徑公路橋梁抗震設(shè)計(jì)理念及方法

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摘要：公路橋梁是我國重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)人們出行安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著極大影響。在中小跨徑公路橋梁設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容，直接決定著公路橋梁的安全性。因此，提高公路橋梁抗震設(shè)計(jì)有著重要意義。文章對(duì)中小跨徑公路橋梁的設(shè)計(jì)理論及方法展開了討論，有效消除抗震安全隱患，提高公路橋梁的質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命。

關(guān)鍵詞：公路橋梁 抗震設(shè)計(jì) 地震 方法

研究地震對(duì)公路橋梁安全有著極大威脅。如果公路橋梁抗震設(shè)計(jì)不足，就會(huì)造成公路橋梁的裂縫、擋塊破碎、支座變形等危害，對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)造成巨大威脅。以2008年汶川地震為例，被毀壞了高速公路、國省干線、鄉(xiāng)村公路以及橋梁分別有24條、161條、8618條和6140座，僅交通設(shè)施經(jīng)濟(jì)損失就超過670億。因此，加強(qiáng)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)十分必要，本文對(duì)此展開了研究。

1.中小跨徑公路橋梁設(shè)計(jì)理念

我國當(dāng)前公路橋梁在抗震方面的規(guī)范主要是《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T B02_01-2008（以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》），這是以美、日等發(fā)達(dá)國家橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)，圍繞先進(jìn)延性抗震設(shè)計(jì)、能力保護(hù)理念形成的。但在一些方面與我國實(shí)際情況不符，影響了公路橋梁抗震設(shè)計(jì)效果。

1.1中小跨橋梁傳力方面

我國、美國和日本采用的分別是板式橡膠支座、框架式支座以和鋼支撐，實(shí)際情況之間存在差異，傳力結(jié)構(gòu)體系、傳力途徑方面都有所不同。直接采用國外規(guī)范，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)了問題。

1.2抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)方面

我國設(shè)定的目標(biāo)是“小震不壞、中震可修、大震不倒”，并沒有嚴(yán)格的界定標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致公路橋梁設(shè)計(jì)沒有準(zhǔn)確依據(jù)，影響了抗震設(shè)計(jì)效果。對(duì)此，需要對(duì)不同水準(zhǔn)地震作用下，公路橋梁各個(gè)部位、構(gòu)建制定明確的抗震目標(biāo)，包括樁基礎(chǔ)、承臺(tái)、橋墩、支座以及擋塊的強(qiáng)度、延性指標(biāo)等，為公路橋梁抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1.3地震參數(shù)劃分方面

許多地區(qū)的地震動(dòng)參數(shù)是相對(duì)較低的，如汶川就僅為中震水平。在設(shè)計(jì)時(shí)，沒有考慮大震情況，也會(huì)降低公路橋梁抗震性能。對(duì)此，在公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中，需要從橋梁重要性、地震危險(xiǎn)性方面來設(shè)計(jì)抗震構(gòu)造，而不是依據(jù)地震烈度。

2.公路橋梁的抗震方法

以某高速公路為例，此高速公路位于地震斷裂帶上，需要設(shè)計(jì)較高的抗震設(shè)防等級(jí)，其抗震設(shè)計(jì)過程與方法如下：

2.1抗震設(shè)計(jì)過程

（1）確定計(jì)算方法。此公路橋梁上部采取連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，中部墩柱是固定盆式支座，其余墩柱是單、雙向的盆式支座。因此，在一聯(lián)結(jié)構(gòu)中，公路橋梁受到的橫向、縱向（順橋向）地震作用力分別是由聯(lián)內(nèi)各橋墩、固定支座墩承受的?？梢圆扇　都?xì)則》中反應(yīng)譜方法，對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行簡(jiǎn)化后，得到計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行復(fù)核。

（2）確定地震參數(shù)。就本公路橋梁而言，抗震設(shè)防類別設(shè)計(jì)為B類，烈度8級(jí)。場(chǎng)地是Ⅲ類建筑場(chǎng)地，場(chǎng)地系數(shù)1.2，地震周期0.55s，抗震重要性系數(shù)是0.43，加速度峰值0.2g。

（3）選取計(jì)算結(jié)構(gòu)。本公路橋梁包括眾多的子結(jié)構(gòu)，其分界點(diǎn)是伸縮縫。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，無需全部計(jì)算?？蓮闹羞x擇具有代表性的結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行抗震分析，得到抗震設(shè)計(jì)結(jié)果。

（4）結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算。選擇單柱墩作為抗震設(shè)計(jì)分析對(duì)象，根據(jù)簡(jiǎn)化后的計(jì)算公式，可以得到支座頂面受到的縱向地震作用力、上部結(jié)構(gòu)受到的橫向地震作用力，從而確定各自對(duì)應(yīng)的水平位移；再根據(jù)彈性樁水平位移與作用效應(yīng)計(jì)算公式，可以計(jì)算出順橋向、橫橋向的地震作用效應(yīng)。結(jié)合永久作用效應(yīng)，可以計(jì)算出彈性狀態(tài)下橋墩需要達(dá)到的強(qiáng)度值，最終確定墩柱需要的縱筋配置。

（5）主要構(gòu)件設(shè)計(jì)。公路橋梁抗震中承受地震作用的主要構(gòu)件是樁基礎(chǔ)和墩柱，需要分別對(duì)其強(qiáng)度加以驗(yàn)算。其中，在樁基礎(chǔ)強(qiáng)度驗(yàn)證中，以E1地震作用為基礎(chǔ)，算出配筋率。在材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度、最不利軸力條件下，計(jì)算橋梁兩個(gè)方向的極限彎矩值。結(jié)合對(duì)應(yīng)的軸力值、剪力值，通過對(duì)樁基礎(chǔ)直徑、組合的設(shè)計(jì)，使樁基礎(chǔ)處于彈性狀態(tài)，驗(yàn)算其承載能力。在本高速公路選擇的代表性計(jì)算結(jié)構(gòu)中，要使樁基礎(chǔ)同時(shí)滿足強(qiáng)度和豎向荷載要求。根據(jù)豎向荷載值，13m、17m的主線橋梁和9.5m、8m的匝道橋梁，應(yīng)分別選用3樁以上群樁基礎(chǔ)、雙樁基礎(chǔ)，然后根據(jù)上述方法驗(yàn)證樁基礎(chǔ)強(qiáng)度值。如果有不滿足的情況，需要適當(dāng)增加樁徑或配筋率。在墩柱抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算中，以E1地震作用下進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)，E2地震作用下進(jìn)行延性設(shè)計(jì)，并對(duì)蓋梁、墩柱、基礎(chǔ)等進(jìn)行能力保護(hù)設(shè)計(jì)，算出配筋率，計(jì)算橋梁兩個(gè)方向的極限彎矩值。結(jié)合對(duì)應(yīng)的剪力值，對(duì)墩柱塑性鉸區(qū)域進(jìn)行箍筋配置，根據(jù)《細(xì)則》對(duì)墩柱抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

表1　抗震計(jì)算結(jié)果

2.2抗震設(shè)計(jì)方法

（1）做好墩柱截面的選擇。墩柱截面與其抗震能力之間有著密切關(guān)系。在保持上部結(jié)構(gòu)、墩柱高墩一致條件下，分別選取4個(gè)不同截面尺寸，其對(duì)于E1的抗震結(jié)果如表1所示，由于篇幅有限，對(duì)于E2地震作用下的延性設(shè)計(jì)，這里就不概述了。從表1中可知，對(duì)于橋?qū)挕⒍崭吆涂鐝浇Y(jié)構(gòu)確定的橋梁，若是選擇大截面，會(huì)增加墩柱縱向配筋，彎矩值也會(huì)相應(yīng)增加，基礎(chǔ)構(gòu)件的尺寸也需要相應(yīng)增大；如果選擇小截面，抗彎強(qiáng)度可能不足，需要不斷提高截面配筋率。因此，過小或過大的截面都是不合適的。需要通過假定驗(yàn)算，選擇合適的墩柱截面。

（2）在固定支座墩選擇上，對(duì)于一聯(lián)橋梁，特別是與橋臺(tái)相連的那一聯(lián)，固定支座墩不宜選用矮墩。其原因是矮墩剛度較大，并不利于抗震。

（3）在邊梁梁端設(shè)計(jì)上，要使其與墩柱邊緣保持足夠距離。以免在地震發(fā)生時(shí)，橋梁出現(xiàn)縱向落梁?jiǎn)栴}。

（4）在橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩連接部位，需要采取鋼筋混凝土橫向限位擋塊設(shè)計(jì)。在地震發(fā)生時(shí)，可以起到支撐作用， 避免橫向位移過大而發(fā)生落梁。

（5）在單柱墩底部的塑性鉸區(qū)，由于其是箍筋加密區(qū)，在長(zhǎng)度設(shè)計(jì)上，需要按照墩柱截面的長(zhǎng)邊尺寸或者墩柱高的1/5來選取，從兩個(gè)值中選擇較大的一個(gè)作為加密區(qū)長(zhǎng)度。加密箍筋的間距以10cm為宜，鋼筋的直徑、肢數(shù)需要通過驗(yàn)算墩柱抗剪強(qiáng)度來確定。

（6）在承臺(tái)與獨(dú)柱墩下結(jié)點(diǎn)的連接部位，需要使墩柱垂直配筋、橫向箍筋保持連續(xù)，以免地震作用破壞薄弱環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要將墩底的縱向墩柱鋼筋，直接延伸到承臺(tái)底部。加密區(qū)的箍筋也需要延伸至承臺(tái)中，深入長(zhǎng)度要超過0.5m或者墩柱截面長(zhǎng)邊尺寸的 50%。

3.結(jié)語

綜上所述，近些年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)交通運(yùn)輸?shù)男枨蟛粩嘣黾?，公路橋梁工程越來越多，公路橋梁安全成為了人們關(guān)心的重點(diǎn)內(nèi)容。公路橋梁設(shè)計(jì)是其安全的決定性因素，抗震作為公路橋梁安全的一項(xiàng)重要指標(biāo)，需要在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)對(duì)抗震的設(shè)計(jì)，以提高公路橋梁的抗震能力。我國公路橋梁抗震設(shè)計(jì)借鑒于西方發(fā)達(dá)國家，但受國情影響，存在許多不適宜之處，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要從公路橋梁實(shí)際情況入手，按照固定的步驟，做好每一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。并著重加強(qiáng)薄弱部位的抗震設(shè)計(jì)，保障公路橋梁整體的安全性。

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