公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及改進(jìn)策略

溫志劍

（江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330052）

0 引言

在地理位置等復(fù)雜因素的影響下，我國(guó)很多地區(qū)地震災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)于公路橋梁工程抗震性能提出了巨大考驗(yàn)。我國(guó)橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，在公路橋梁項(xiàng)目建設(shè)中已逐漸產(chǎn)生諸多高新技術(shù)類(lèi)型，施工工藝水平顯著提升，但在地震發(fā)生時(shí)，公路橋梁工程垮塌事故依然屢見(jiàn)不鮮。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，影響公路橋梁工程的抗震性能影的素很多，包括抗震性能設(shè)計(jì)水平、施工工藝技術(shù)等。抗震設(shè)計(jì)水平對(duì)橋梁建成后的實(shí)際抗震性能會(huì)有明顯影響，因此亟需對(duì)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題及優(yōu)化對(duì)策進(jìn)行深入探究。

1 橋梁抗震設(shè)計(jì)

1.1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)行的公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行分析，對(duì)于抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，僅進(jìn)行簡(jiǎn)單的定性描述。本文對(duì)公路橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)性闡述，具體如下。

（1）綜合考慮地震動(dòng)背景，對(duì)于公路橋梁抗震設(shè)防水準(zhǔn)可分為3 種類(lèi)型：①設(shè)防水準(zhǔn)I，地震重現(xiàn)期25 年，50 年超越概率63%，即“小震”。②設(shè)防水準(zhǔn)Ⅱ，地震重現(xiàn)期475 年，50 年超越概率10%，即“中震”。③設(shè)防水準(zhǔn)Ⅲ，地震重現(xiàn)期2000 年，50 年超越概率3%，即“大震”[1]。

（2）通過(guò)對(duì)地震破壞程度進(jìn)行分析，橋梁工程抗震性能可設(shè)定三種目標(biāo)：①性能目標(biāo)I，在不修復(fù)的情況下依然不影響使用，保持良好彈性狀態(tài)，即“不壞”。②性能目標(biāo)Ⅱ，局部可出現(xiàn)輕微性損傷，進(jìn)行簡(jiǎn)單修復(fù)處理后則不影響使用，保持良好彈性狀態(tài)，即“可修”。③性能目標(biāo)Ⅲ，保證不坍塌，只需采用臨時(shí)性加固措施，依然能夠滿(mǎn)足應(yīng)急使用，即“不倒”。

（3）為了提升橋梁工程抗震設(shè)計(jì)水平，確保能夠達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)，將梁體截面劃分成纖維單元開(kāi)展數(shù)值計(jì)算工作，需要繪制出墩柱截面彎矩——曲率的曲線，同時(shí)還需制定驗(yàn)算準(zhǔn)則[2]。對(duì)于驗(yàn)算準(zhǔn)則，可分為三種類(lèi)型：①驗(yàn)算準(zhǔn)則I，即M

1.2 結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)

在公路橋梁工程抗震設(shè)計(jì)中，相比數(shù)值設(shè)計(jì)，概念設(shè)計(jì)尤為重要，然而很多設(shè)計(jì)人員對(duì)于橋梁抗震概念設(shè)計(jì)不夠重視。在公路橋梁結(jié)構(gòu)體系總體布局上設(shè)計(jì)人員更注重于墩高以及支座設(shè)計(jì)。橋墩高度對(duì)墩底彎矩影響大：①墩高會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)基頻產(chǎn)生直接影響。②墩高對(duì)上部結(jié)構(gòu)剪力、墩頂水平力的力臂產(chǎn)生直接影響。③墩身質(zhì)量對(duì)墩底彎矩產(chǎn)生較大影響[4]。

1.3 結(jié)構(gòu)抗震數(shù)值分析

（1）地震動(dòng)作用輸入方向及組合工況。作用本身相對(duì)復(fù)雜，作用形式多樣，主要有水平向作用和豎向作用。在進(jìn)行抗震分析時(shí)，需要結(jié)合相應(yīng)要求以及經(jīng)驗(yàn)對(duì)水平作用以及豎向作用進(jìn)行重點(diǎn)分析[5]。在豎向作用分析中，可使用與水平作用相同的輸入?yún)?shù)，峰值選取上，豎直作用峰值取水平方向的0.5 倍。歐洲規(guī)范將周期作為依據(jù)，如表2 所示，目前國(guó)內(nèi)橋梁抗震取2/3。

表2 Eurocode8 建議豎直與水平峰值比

水平地震作用輸入本身不確定性明顯，所以需要關(guān)注地震力之間的效應(yīng)組合情況。結(jié)合AASHTO 規(guī)范，工況組合如下：①在LC1 首個(gè)垂直方向力效應(yīng)的絕對(duì)值的100%，與第二個(gè)垂直向力效應(yīng)絕對(duì)值的30%組合。②在LC2 第二個(gè)垂直方向力效應(yīng)絕對(duì)值的100%，與第一個(gè)垂直向力效應(yīng)絕對(duì)值的30%組合。

在國(guó)內(nèi)橋梁工程抗震設(shè)計(jì)中需對(duì)兩個(gè)方向的水平力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，同時(shí)各自與豎直荷載進(jìn)行組合。

（2）對(duì)三種數(shù)值分析方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 三種分析方法的主要區(qū)別

選擇某橋梁作為研究對(duì)象，在該橋梁構(gòu)件截面地震內(nèi)力計(jì)算分析中，分別采用前面所述方法計(jì)算，獲得結(jié)果，如表4 所示。

表4 三種方法得到的地震力

1.4 結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)

在公路橋梁工程抗震設(shè)計(jì)中，需特別注重總結(jié)震害分析經(jīng)驗(yàn)、概念設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及定性研究成果。在我國(guó)新編的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）中已針對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出技術(shù)要求。

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

目前，抗震設(shè)計(jì)不斷完善標(biāo)準(zhǔn)，隨著經(jīng)驗(yàn)積累增多，設(shè)計(jì)質(zhì)量也明顯提升。但是，由于種種原因，目前很多橋梁的實(shí)際抗震性能依然不符合預(yù)期，對(duì)于設(shè)計(jì)中的各種問(wèn)題必須加強(qiáng)關(guān)注，妥善處理。

2.1 橋梁選址不當(dāng)

公路橋梁橋位選址要求綜合考慮各種影響因素，包括地質(zhì)、水文、通航、行洪、征地拆遷補(bǔ)償、各類(lèi)管線等。由于制約因素多，如橋梁選址不當(dāng)則會(huì)顯著增大項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 上部結(jié)構(gòu)易發(fā)生扭轉(zhuǎn)、位移

橋梁結(jié)構(gòu)中墩臺(tái)、支座等結(jié)構(gòu)均可發(fā)揮隔離作用，發(fā)生地震時(shí)公路橋梁上部結(jié)構(gòu)一般不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞問(wèn)題，但下部結(jié)構(gòu)的破壞問(wèn)題就顯得格外突出，如公路橋梁墩臺(tái)部位相鄰梁之間發(fā)生碰撞，導(dǎo)致梁端受到擠壓而破壞、地基失效，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)受到破壞。

2.3 下部結(jié)構(gòu)易發(fā)生開(kāi)裂、變形

在地震發(fā)生后，橋梁下部結(jié)構(gòu)易遭到嚴(yán)重破壞。地震作用不僅造成公路橋梁地基受到破壞，在水平地震力作用下，橋梁墩臺(tái)以及基礎(chǔ)均會(huì)遭受一定損傷，如果情況嚴(yán)重則有較大的橋梁坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 支座的底部應(yīng)力平衡能力不足

在公路橋梁支座底部結(jié)構(gòu)中，如果所用材料質(zhì)量不符合要求，就難以保證最終橋梁成品質(zhì)量。支座是需要承重的橋梁支撐系統(tǒng)，出于保證這一結(jié)構(gòu)在面對(duì)地震危害下保持穩(wěn)定性考慮，需嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)意圖組織施工，保證支座結(jié)構(gòu)之間連接牢固有效，避免在地震中導(dǎo)支座結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形。

2.5 橋梁附屬設(shè)施的破壞

公路橋梁附屬構(gòu)造如設(shè)計(jì)不合理，在發(fā)生地震地災(zāi)害后，伸縮縫、搭板、橋面系均可能會(huì)遭到破壞，對(duì)公路橋梁的其他構(gòu)件造成不同影響。在進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，需將橋梁上、下部作為整體，各個(gè)構(gòu)件的抗震性能發(fā)生相互影響。為了提升公路橋梁的抗震性能，秉持先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論，選擇適宜的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

3 橋梁抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)策

3.1 選擇適宜的建設(shè)場(chǎng)地

公路橋梁項(xiàng)目建設(shè)前，應(yīng)當(dāng)選址在抗震性比較好的場(chǎng)地。首先，對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)施工要求進(jìn)行分析，選擇有利場(chǎng)地，避免在危險(xiǎn)地段組織施工；其次，在實(shí)際施工中應(yīng)當(dāng)注意避免地震周期接近在建項(xiàng)目的自振周期，以避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象而造成橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。

3.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗震措施

首先，對(duì)于簡(jiǎn)支梁，可采用連續(xù)梁替代，盡量減少設(shè)置伸縮縫，避免發(fā)生落梁風(fēng)險(xiǎn)；其次，在預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋梁工程上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，可應(yīng)用真空灌漿施工方式，提高公路橋梁結(jié)構(gòu)剛度以及強(qiáng)度，改善橋梁抗震性能；最后，在拱橋上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，對(duì)于主拱圈可采用框拱、拱板等形式，為提升拱橋上部結(jié)構(gòu)抗震性能，可提高主拱圈扭轉(zhuǎn)剛度，拱肋可應(yīng)用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)肋間的橫向連接。

3.3 橋梁下部結(jié)構(gòu)的抗震措施

橋梁下部結(jié)構(gòu)起到支撐作用，該部分關(guān)系到結(jié)構(gòu)整體抗震能力，在設(shè)計(jì)時(shí)需要引起關(guān)注。橋臺(tái)截面如果設(shè)置為T(mén) 形或U 形，能夠起到較好效果。重力墩柱的施工方式便捷，并且抗震性能比較好，也可降低橋梁施工成本。因此，實(shí)際工作中，應(yīng)當(dāng)推廣應(yīng)用U 型橋臺(tái)或者T 形截面橋臺(tái)，據(jù)此提升施工便捷性，同時(shí)對(duì)施工成本進(jìn)行有效控制，改善公路橋梁的抗震性。在公路橋梁底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)改善橋墩延性。公路橋梁橋墩分為空及實(shí)心兩種類(lèi)型，其中空心截面的延性比較好。

3.4 選擇合適的橋位、橋型和孔徑

在公路橋梁橋位設(shè)計(jì)方面，應(yīng)當(dāng)注意規(guī)避危險(xiǎn)地段，并選擇有利地段。公路橋梁中線與河流正交，在發(fā)生地震災(zāi)害后河岸可能會(huì)發(fā)生變遷，其作用力對(duì)橋梁的負(fù)面影響不大。如果采用斜交設(shè)計(jì)方式，則在發(fā)生地震災(zāi)害后河岸可逐漸向河心方向發(fā)生移動(dòng)，可造成公路橋梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。在幾何線形方面，應(yīng)當(dāng)盡量保證公路橋梁處于直線上，避免在發(fā)生地震時(shí)反應(yīng)過(guò)于復(fù)雜。

3.5 支撐連接構(gòu)件抗震措施

墩臺(tái)頂帽要注意防止發(fā)生落梁?jiǎn)栴}，為避免支座結(jié)構(gòu)發(fā)生位移需增加縱向擋塊及橫向擋塊。另外還可采用橡膠支座，提升支座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。對(duì)于不利墩，還需聯(lián)合應(yīng)用減震隔震措施，如安裝塑性鉸、橡膠支座等。

3.6 橋梁延性抗震設(shè)計(jì)

為提升橋梁工程構(gòu)件的延性，要求確定延性量化分析的各類(lèi)指標(biāo)，為公路橋梁整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。在鋼筋混凝土橋梁工程抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)選用延性構(gòu)件，將橋梁工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、梁體以及蓋梁作為橋梁工程能力保護(hù)構(gòu)件，對(duì)墩柱結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行嚴(yán)格控制。在橋梁工程延性設(shè)計(jì)中，要求對(duì)延性需求以及延性能力進(jìn)行細(xì)致化分析，并應(yīng)用能力設(shè)計(jì)方式，改善橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震性。

3.7 橋梁減隔震設(shè)計(jì)

為了避免地震對(duì)公路橋梁工程各類(lèi)構(gòu)件造成損傷，在抗震設(shè)計(jì)中需應(yīng)用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，如通過(guò)采用塑性變形方式，快速消耗由于地震所產(chǎn)生的大量能量，避免橋梁發(fā)生倒塌事故。例如，在橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可應(yīng)用耗能支承結(jié)構(gòu)，提升橋梁工程結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)還可減少項(xiàng)目建設(shè)成本投入量。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要對(duì)公路橋梁工程抗震設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)中的一些不足以及可以采用的優(yōu)化對(duì)策進(jìn)行了探究。隨著交通建設(shè)進(jìn)程不斷加快，橋梁建設(shè)如火如荼，在橋梁工程設(shè)計(jì)中，必須提升橋梁工程抗震性能，保證橋梁工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但是，目前橋梁抗震設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步提升嚴(yán)謹(jǐn)性。對(duì)此，要求對(duì)抗震設(shè)計(jì)方式進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，并進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，提升橋梁工程項(xiàng)目建設(shè)效益。