高陡邊坡橋梁高墩設(shè)計(jì)與施工技術(shù)分析

張瑞德

摘 要：高速公路快速向山區(qū)發(fā)展，產(chǎn)生許多高墩大跨橋梁，山區(qū)橋梁如果遭受自然災(zāi)害，修復(fù)十分困難，所以，要求橋墩結(jié)構(gòu)具有良好的施工質(zhì)量，可較好抵抗自然災(zāi)害。文章分析了高陡邊坡橋梁高墩設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，從邊坡穩(wěn)定性及地震易損性分析入手，為相關(guān)研究提供借鑒，促使當(dāng)前研究取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：橋梁；高墩；設(shè)計(jì)；施工

近年來(lái)，橋梁橋墩高度逐漸增加，上部結(jié)構(gòu)變得更輕，穩(wěn)定性引起的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題開始出現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外研究可見(jiàn)，對(duì)橋墩施工質(zhì)量、受力性能及抗震防災(zāi)能力等，當(dāng)前缺少快速有效評(píng)估方法，無(wú)法判斷工作狀態(tài)是否在設(shè)計(jì)要求內(nèi)。所以，分析對(duì)樁基作用下高陡邊坡的穩(wěn)定性十分重要。對(duì)橋梁抗震性能評(píng)估與加固研究、工程實(shí)踐，我國(guó)在這方面較為薄弱，缺少針對(duì)性的橋梁抗震性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)手段。高墩大跨橋梁在地震作用下比低墩橋梁的非線性更加明顯，國(guó)內(nèi)外在高橋墩抗震設(shè)計(jì)上存有缺陷，研究高橋墩抗震性能尤為關(guān)鍵。

1 利用有限元法分析邊坡穩(wěn)定性

1.1 有限元法

計(jì)算機(jī)技術(shù)涌現(xiàn)，有限元理論不斷豐富，邊坡穩(wěn)定分析進(jìn)入新起點(diǎn)。有限元法本質(zhì)思想，離散聯(lián)系體，轉(zhuǎn)變成有限數(shù)量的大單元體集合，單元體間只通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接與制約，以變換的結(jié)構(gòu)體系替換原來(lái)真實(shí)連續(xù)體，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)分析處理后，化數(shù)學(xué)問(wèn)題為求解線性方程組。結(jié)構(gòu)有限元分析往往被分成以下幾個(gè)結(jié)構(gòu)過(guò)程：?jiǎn)卧?、單元特性分析、集合成整體、數(shù)值求解。材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、開挖施工過(guò)程對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響等均是有限元考慮對(duì)象。結(jié)合土的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，借助有限單元法，獲得各單元應(yīng)力應(yīng)變，根據(jù)各強(qiáng)度指標(biāo)，明確破壞區(qū)所處位置及擴(kuò)展情況。

1.2 強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則

常規(guī)對(duì)邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，極限平衡方程采用“摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則”，穩(wěn)定系數(shù)定義：滑動(dòng)面抗滑力和下滑力的比值。

1.3 明確邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)

以有限元分析邊坡穩(wěn)定時(shí)，可采用減低巖土材料抗剪強(qiáng)度的方式，促使結(jié)構(gòu)達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)折減系數(shù)=邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。從實(shí)質(zhì)意義上講，有限元強(qiáng)度折減法類似于傳統(tǒng)方法。

2 對(duì)地震易損性的研究

2.1 經(jīng)驗(yàn)易損性曲線

對(duì)收集的地震震害資料，以經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法評(píng)估結(jié)構(gòu)易損性，獲得結(jié)構(gòu)易損性曲線。在1995年神戶地震觀測(cè)橋梁損傷數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建通過(guò)兩參數(shù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)表征經(jīng)驗(yàn)易損性曲線，以最大概率評(píng)估參數(shù)。結(jié)合能力與需求形成了認(rèn)識(shí)與隨機(jī)方面不確定的易損性曲線。國(guó)內(nèi)研究者統(tǒng)計(jì)唐山大地震中272座鐵路橋梁損傷率，整理分類海城和唐山大地震中受破壞的56座橋梁按結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

2.2 理論易損曲線

理論易損性曲線，計(jì)算、分析橋梁地震反應(yīng)而獲得，該方法尤其適用僅有有限震害資料建筑物易的損性評(píng)估抑或無(wú)地震震害資料。理論易損性分析包含三個(gè)參數(shù)：結(jié)構(gòu)抗震性的地震需求、結(jié)構(gòu)抗震能力、地震強(qiáng)度指標(biāo)。當(dāng)前常用的構(gòu)造易損性曲線方法包括非線性靜力分析法、非線性時(shí)程分析法、反應(yīng)譜分析法。

其中，能力譜方法，受地震荷載作用，該方法借助簡(jiǎn)單化的非線性方法分析結(jié)構(gòu)，是當(dāng)前經(jīng)常用到的非線性靜力分析方法。時(shí)程分析法在抗震設(shè)計(jì)中被稱作“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)”。以結(jié)構(gòu)基本運(yùn)動(dòng)方程輸入地面加速度記錄，求解積分，繼而獲得整個(gè)時(shí)間短地震反應(yīng)，非線性分析結(jié)構(gòu)最可靠，可真實(shí)反應(yīng)結(jié)構(gòu)在地震作用下引起的響應(yīng)。在理論易損性分析方法中，反應(yīng)譜分析法簡(jiǎn)單有效。研究將橋墩模擬成單自由度體系，利用反應(yīng)譜分析法嘗試分析高速公路上橋梁地震易損性。這種方法粗糙簡(jiǎn)單，首次進(jìn)行了地震易損性分析。

2.3 明確橋梁結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)

所有結(jié)構(gòu)理論易損性曲線，其劃分結(jié)構(gòu)損傷等級(jí)都不可缺少，而劃分結(jié)構(gòu)損傷等級(jí)需依靠結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)，先明確結(jié)構(gòu)破壞準(zhǔn)則，才能確定損傷指標(biāo)。破壞準(zhǔn)則，當(dāng)前破壞準(zhǔn)則包括許多強(qiáng)度準(zhǔn)則，歸納起來(lái)有下述幾種：強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則、變形破壞準(zhǔn)則、能量破壞準(zhǔn)則能量、變形和能量雙重破壞準(zhǔn)則、基于性能的破壞準(zhǔn)則。

（1）強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則是最傳統(tǒng)也是應(yīng)用較為廣泛的破壞準(zhǔn)則，在容許應(yīng)力法或者承載能力極限狀態(tài)法基礎(chǔ)上形成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均要使用這個(gè)準(zhǔn)則。研究工程抗震前期，若地震力為擬靜力荷載，作用于結(jié)構(gòu)。地震力大小和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定結(jié)構(gòu)安全性能。強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則簡(jiǎn)單、直觀、合理。進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)因素，往往允許預(yù)期強(qiáng)震動(dòng)作用引起的結(jié)構(gòu)彈塑性變形，受強(qiáng)震動(dòng)作用，結(jié)構(gòu)無(wú)強(qiáng)度儲(chǔ)備，強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則不適用，同時(shí)要考慮變形強(qiáng)度準(zhǔn)則。（2）基于性能的破壞準(zhǔn)則，上述結(jié)構(gòu)地震破壞準(zhǔn)則，均和防止倒塌破壞要求相對(duì)應(yīng)。近些年國(guó)內(nèi)外地震教訓(xùn)慘重，受地震大范圍破壞的城市橋梁雖少，但可能引發(fā)較嚴(yán)重社會(huì)后果?？紤]這點(diǎn)，美國(guó)學(xué)者在性能基礎(chǔ)上提出抗震設(shè)計(jì)思想。（3）變形破壞準(zhǔn)則，變形強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則中規(guī)定，允許最大變形破壞界限值，結(jié)構(gòu)最大位移反應(yīng)不超過(guò)限值。當(dāng)前各國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，大體不同程度上采用變形強(qiáng)度準(zhǔn)則。（4）能量破壞準(zhǔn)則，當(dāng)前形成的不同抗震設(shè)計(jì)技術(shù)與方法，一定程度上以能量概念進(jìn)行闡述。但以量概念構(gòu)建的破壞準(zhǔn)則應(yīng)用在當(dāng)前實(shí)踐中尚有困難。（5）變形和能量雙重破壞準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)破壞由變形與累積耗能共同形成。對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，僅從從理論層面看，相比變形破壞準(zhǔn)則，這種準(zhǔn)則可能是較為合理的破壞準(zhǔn)則，同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)最大變形效應(yīng)與累計(jì)損傷效應(yīng)。

此外，損傷狀態(tài)和損傷指標(biāo)，現(xiàn)階段我國(guó)新建筑規(guī)范將遭受地震的破壞結(jié)構(gòu)分為“基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、倒塌”共五個(gè)等級(jí)。損傷指標(biāo)的確定，鋼筋混凝土延性構(gòu)件中的非彈性變形能力，源于塑性鉸區(qū)截面的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，在構(gòu)件曲率延性能力基礎(chǔ)上形成。利用橋墩彎矩-曲率，經(jīng)過(guò)分析，獲得塑性鉸區(qū)曲率延性能力。地震波的輸入，地震隨機(jī)性強(qiáng)，輸入各種地震波，獲得地震響應(yīng)結(jié)果差別較大。地震三要素包括峰值、頻譜特性、地震動(dòng)持時(shí)。但國(guó)內(nèi)通常以設(shè)防烈度作抗震設(shè)防，同時(shí)結(jié)合已有地震信息，分析地震危險(xiǎn)性，獲得地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，可輕松獲得地面加速度的概率分布。

3 結(jié)語(yǔ)

高陡邊坡橋梁高墩施工多見(jiàn)于公路橋梁建設(shè)中，是一種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。文章研究了高墩樁基施工中邊坡穩(wěn)定性及易損性能的橋墩抗震評(píng)估。橋梁高墩設(shè)計(jì)施工要結(jié)合施工特點(diǎn)，分析控制施工問(wèn)題，確保良好的橋墩施工水平與質(zhì)量。筆者初步分析了高墩大跨橋梁中高墩設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，因?yàn)槟芰εc學(xué)識(shí)限制，文中探討尚需深入研究。

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