高烈度區(qū)裝配式橋梁抗震計算方法的分析

趙曉燕

（云南航都綜合開發(fā)有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，我國有79%的國土面積都在Ⅵ度以及以上的地震烈度區(qū)域，需要按照現(xiàn)行的橋梁抗震設計規(guī)范來對其進行抗震設防，其中有8%的國土面積在Ⅷ度及以上的高地震烈度區(qū)域當中，所以說針對于這些地方必須要進行重點的抗震設防。伴隨著我國的橋梁抗震設計不斷的發(fā)展，橋梁抗震設計也開始慢慢的受到了工程師的重視，面對著大量需要進行抗震設計的橋梁工程來說，選擇更加合理的抗震方法來對整個工程進行分析就顯得格外重要。

1 高烈度區(qū)的橋梁震害分析

高烈度區(qū)因為自身的地形以及地質(zhì)條件都是比較惡劣的，所以說很容易就會發(fā)生地震等一系列的災害，從而在對于橋梁的設計的時候也提出了更加高的要求。因此在對于高烈度區(qū)的橋梁進行，設計師首先就應該考慮到橋梁的結(jié)構(gòu)抗震性能，并且針對于橋梁的設計做出一個更加宏觀的調(diào)控。首先應該分析已經(jīng)建成了的橋梁的具體抗震設計原理以及針對于其抗震能力進行計算，總結(jié)各個橋梁各自的優(yōu)勢，從而建立一個正確的抗震計算方法[1]。總的來說，橋梁的震害從上到下依次可以體現(xiàn)為3個方面的內(nèi)容，分別是主梁的震害、支座的震害以及橋墩的震害。

1.1 主梁震害

在高烈度區(qū)地震對于橋梁主梁的震害主要可以體現(xiàn)為3個方面：①順橋向位移。②橫橋向位移。③平面旋轉(zhuǎn)。這3種現(xiàn)象的主要的原因是由于墩臺頂處的支撐面比較窄小，沒有能夠提供一個非?？煽康募s束裝置，為了能夠盡可能的避免出現(xiàn)主梁震害的情況，減輕主梁震害的程度，針對于高烈度區(qū)的橋梁進行設計的時候，應該盡量的加強整體的連接性，而這種連接也應該使用帶上下鋼板的橡膠支座。

1.2 支座震害

導致支座出現(xiàn)震害的主要原因包括4個方面：①部分大橋的支座形式存在著一定的設計缺陷。②制作支座的材料其實本身存在著一定的質(zhì)量問題，在制作初期沒有能夠把控好進場材料的質(zhì)量，所以在后期使用過程當中也會存在著安全問題。③在為橋梁進行支座選取時，并沒有充分考慮支座的具體抗震需求，沒有跟周邊的環(huán)境進行有機融合。④支座的連接以及支擋等的構(gòu)造措施存在著不足點，因為以上的這些原因，所以導致支座出現(xiàn)了震害的情況，支座震害的主要形式則可以分成5個方面，分別為支座的移位、錨固螺栓被拔出、支座被剪斷、活動支座脫落和支座的自身構(gòu)造遭到了破壞。所以為了有效避免上述情況的發(fā)生，在針對支座進行設計以及制作的時候，應該針對于支座的錨栓以及防震板等進行相關(guān)的研究，使其具備足夠的抗震強度。

1.3 橋墩震害

橋墩是一座橋梁的主要支撐，同樣也是橋梁一個非常重要的構(gòu)件，對于橋梁能夠起到穩(wěn)定的作用，橋墩的震害主要可以體現(xiàn)為兩個方面，分別是剪切的破壞以及彎曲的破壞。而導致出現(xiàn)這兩方面破壞的主要原因是橋墩抗堿強度不足或墩筋配置不足。為了有效減輕橋墩的震害程度，橋梁的設計者應該針對整體的橋梁設計進行明確的計算，并且計算出地震力的具體傳遞路徑，在最大程度上來有效地避免出現(xiàn)震害的情況。

2 橋梁抗震設計的主要原則

在橋梁的抗震設計當中，針對于橋梁的各個部分要求應該隨著每一個工程的具體情況而變化，但是總的角度就是高規(guī)格的結(jié)構(gòu)強度以及高規(guī)格的橋體延性。針對于地震的時候?qū)τ跇蛄核斐傻慕Y(jié)構(gòu)震動產(chǎn)生的影響，在抗震設計當中應該盡量的將橋梁的地基傳入橋梁結(jié)構(gòu)的振動能量削弱到最低，減少其對于橋梁所產(chǎn)生的傷害，同時也應該確保橋梁的設計具有相應的強度以及剛度，只有這樣才能避免出現(xiàn)嚴重的破壞。

從橋梁的總體強度以及其延性這兩個角度出發(fā)，在不增加橋梁的重量、不降低其剛度的條件下，提升橋梁整體抗震性能是非常的有必要的。這是因為在地震的過程中，當?shù)貙拥恼饎觽鬟f到橋梁時會導致橋梁的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性反復變形。在橋梁抗震設計的過程當中，應該結(jié)合各個構(gòu)件的強度的不同來構(gòu)建橋梁在地震時的整體性形式反應，確保橋梁不會出現(xiàn)脆性破壞，從而保證其良好的抗震性能。我國的橋梁的抗震設計過程當中，基本上都是遵守強柱弱梁，強剪弱彎以及強節(jié)點弱構(gòu)件的主要設計思想，通過不同的構(gòu)件之間的強度區(qū)別，就可以最大限度確保橋梁地震時具備非常好的抗性。

3 實例研究：高烈度區(qū)裝配式橋梁抗震強度的計算

3.1 項目背景

東川區(qū)隸屬云南省昆明市，東鄰會澤，南接尋甸，西連祿勸，北與四川省會東縣隔金沙江相望，距離昆明市區(qū)150km，素有“鐵膽石之鄉(xiāng)”和“天南銅都”的美譽。東川作為云南省四個資源枯竭型城市（東川、個舊、開遠、宣威）之一，為工礦型城市，在新的發(fā)展時期，應該以延伸礦產(chǎn)品深加工鏈，提高資源附加價值，同時鼓勵其他非礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而培育新的經(jīng)濟增長點。

東川作為“資源型城市轉(zhuǎn)型”與“西部大開發(fā)”兩大戰(zhàn)略東西互動的交織點，當前的形勢對其今后的發(fā)展極為有利，并已引起國內(nèi)經(jīng)濟界的關(guān)注，同時也可能得到高層領導的注意。這為推動東川的改革與發(fā)展提供了非常難得的機遇。

隨著東川“五路一橋”規(guī)劃及滇中城市群的發(fā)展，東川區(qū)在內(nèi)外因驅(qū)動下，勢必將成為出滇入川的重要交通樞紐，以發(fā)展工業(yè)產(chǎn)業(yè)、旅游產(chǎn)業(yè)為主的昆明北部次區(qū)域中心。近年來，加快城區(qū)改造和新區(qū)建設是促進經(jīng)濟發(fā)展，加快和諧社會建設步伐的一項主要工作。以此推進城市北擴步伐，加快城鎮(zhèn)化建設進程。道路建成后，城市的道路網(wǎng)絡將更加完善，城市的功能將更加配套，城市品位將有很大的提高，有利于城鄉(xiāng)規(guī)劃進一步完善，城鎮(zhèn)建設蓬勃發(fā)展，城鄉(xiāng)建設管理進一步完善。

3.2 項目定位

本次施工圖設計的范圍如下：東川區(qū)金沙路建設項目，起點接現(xiàn)狀集義路，從南向北延伸，與七條規(guī)劃道路分別平面相交后，止于機電職業(yè)技術(shù)學院東側(cè)現(xiàn)狀道路。道路全長1.604km，雙向4車道，路幅寬度30m，設計速度40km/h，為城市主干道。

東川區(qū)金沙路建設項目于K0+328處設置橋梁一座，金沙路大橋左幅起點號K0+143、止點樁號K0+513，橋梁全長370m；右幅起點樁號K0+113、止點樁號K0+483，橋梁全長370m。

3.3 工程概況

金沙路大橋采用預應力混凝土簡支小箱梁，橋面連續(xù)；左右幅采用非對稱布置，左右幅跨徑組合均為3×30m+3×30m+3×30m+3×30m；橋梁中心樁號：K0+328，左幅起點樁號K0+143，終點樁號K0+513，全長370m；右幅起點樁號K0+113，終點樁號K0+483，全長370m；本橋平面分別位于直線（起始樁號：K0+113，終止樁號：K0+245.054）、緩和曲線（起始樁號：K0+245.054，終止樁號：K0+295.054，參數(shù)A：173.205，左偏）和圓曲線（起始樁號：K0+295.054，終止樁號：K0+513，半徑：600m，左偏）上，橋面橫坡為雙向1.5%，縱斷面縱坡2.4%；墩臺徑向布置。

上部結(jié)構(gòu)采用預應力混凝土（后張）簡支小箱梁，橋面連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)橋臺采用重力式橋臺、承臺樁基礎，橋墩采用矩形蓋梁柱式墩接承臺樁基礎。

橋面布置：2.5m（人行道）+10m（車行道）+0.5m（防撞護欄）+1m（中分帶）+0.5m（防撞護欄）+10m（車行道）+2.5m（人行道）＝27m。

3.4 橋梁的設計標準

金沙路大橋的車輛荷載為城-A級，其人群荷載需要按照城市橋梁設計規(guī)范來進行取值，整體的地震設防裂度設為九度，其地震加速度值是0.40g，橋梁的設計基準期為100年，整體的安全等級是Ⅰ級。

3.5 橋梁的技術(shù)以及特點分析

金沙路大橋所在位置地震基本烈度是Ⅸ度，建筑場地為二類，橋梁的最大墩高是34m，屬于非常少見的一種高烈度區(qū)非規(guī)則的橋梁，對于地震的抗震設計要求會非常的高。在通過針對于整體的橋梁結(jié)構(gòu)進行了初步的抗震設計分析之后，發(fā)現(xiàn)E2地震下橋梁底部的最大彎距能夠達到1.05×105kN·Mn，無法滿足E2地震作用下結(jié)構(gòu)承載力以及位移的相關(guān)要求，單純的增加橋墩尺寸，很明顯是不經(jīng)濟也不提倡手段，所以說有必要采取其他的一些方法。

總的來說，針對于金沙路大橋進行設計的過程當中，思路就是需要采用減隔震支座或者是全橋一聯(lián)。因為本橋的橋墩是比較高的，而且整體的橋墩柔度會比較大，主梁跟橋墩可以使用墩梁固結(jié)這樣的形式。地震的作用影響下，每一聯(lián)的結(jié)構(gòu)都能夠做到整體受力，所以說使用減隔震支座在本次工程當中是非常不合適的，而全橋一聯(lián)也很難真正的滿足支座不均勻沉降以及溫度作用等一系列受力要求。綜上所述，本次橋梁施工當中所使用的是新材料屈曲約束支撐來對其進行抗震設計。

3.6 技術(shù)創(chuàng)新

屈曲約束支撐指的就是由芯材、約束芯材屈曲的套筒和位于芯材以及套筒之間的無粘結(jié)材料，包括填充材料來共同構(gòu)成的。它能夠做到承受拉以及壓的力量，屬于一種結(jié)構(gòu)性的構(gòu)件，可以使用在消能減震當中。芯材由屈服段，過渡段以及連接段共同構(gòu)成，屈曲約束支撐已經(jīng)成為我們國內(nèi)在進行抗震減災過程當中使用的一種新型的技術(shù)，主要可以使用在結(jié)構(gòu)抗震設計當中，具有著安裝方便而且設計靈活等一系列的特點，而且使用這樣的方法是不會影響到建筑的整體美觀以及整體應用的。

在本次橋梁的設計當中，通過使用midas，針對整體的結(jié)構(gòu)計算進行了對比以及分析，和不設置屈服約束支撐相比，E2地震下蹲的彎距減小了約30%，從而可以減少下半部分結(jié)構(gòu)的工程量，增強整體的結(jié)構(gòu)抗震性能。

3.7 屈服約束支撐在東起路大橋當中的具體應用

金沙路大橋所處的位置的基本烈度是Ⅸ度，站在抗震設計的角度上面來看，希望全橋能夠作為一個整體受力，也就是九孔一聯(lián)，但是基礎為摩擦樁，而且整體全橋的長度為327m，因為出現(xiàn)了不均勻的沉降的影響，結(jié)果很難真正的滿足于受力要求。在該橋梁當中，一共分為兩聯(lián)，在0號臺，5號墩以及9號臺的位置設置了屈曲約束支撐，使整個組合可以滿足于受力要求，同時在地震的作用影響下，讓橋梁變成一個整體受力，這樣是具有耗能作用的，由此便可以看出屈曲約束支撐可以有效的改善地震作用下的橋梁的受力狀態(tài)，增加橋梁的抗震性能，因此可以有效的減少橋梁的下部結(jié)構(gòu)工程量，具有著非常明顯的經(jīng)濟效益。一般來說，高烈度地區(qū)的橋梁在進行設計的時候，如果只是使用常規(guī)的結(jié)構(gòu)，很難真正的滿足于抗震的設計需求，本次所研究產(chǎn)品的意義不僅在于節(jié)省了整體的工程量，同時也能夠讓常規(guī)結(jié)構(gòu)可以真正的滿足于高烈度區(qū)的抗震需求，所以說就有著非常廣泛的應用前景。

3.8 橋梁的抗震計算方法

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，規(guī)則橋梁以及非規(guī)則橋梁的地震響應有著非常大的不同點，在進行抗震設計的時候，我們首先需要判斷橋梁的規(guī)則性，依據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》來針對其進行研究[2]。在進行設計的時候，一定要保證其承載力能夠滿足于要求，地震動輸入方向?qū)τ谡w的橋梁破壞就有著非常明顯的方向性，本次所研究的橋梁是直線橋梁，在設計的時候，一般來說是順橋向控制設計，所以說在進行抗震計算的時候，可以使用順橋向抗震計算。通過針對于橋梁的性能的判斷，利用反應譜方法來對其進行抗震分析。

利用反應譜來對橋梁的抗震進行分析的時候，我們首先需要確定好結(jié)構(gòu)的計算簡圖，然后再通過動力學的分析，求出結(jié)構(gòu)的基本周期以及相應的震型，這樣就能夠有效的確定其地震力[3]。板式橡膠支座的連接上下部分結(jié)構(gòu)以及橋墩受到了上部結(jié)構(gòu)的約束，支座會因為地震程度的不同而產(chǎn)生不同程度的破壞，除此之外梁也會出現(xiàn)縱橫向的位移，所以說在本篇文章當中倡導的就是利用屈曲約束支撐來有效的改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，我國Ⅵ度以及以上地震烈度區(qū)域能夠達到國土總面積的79%，Ⅷ度及以上的高地震烈度區(qū)域能夠達到8%，這類區(qū)域往往對于橋梁的抗震設計會提出更加高的要求，而為了能夠確保裝配式的橋梁可以在高地震力度區(qū)域抗震設計質(zhì)量達標，圍繞高烈度區(qū)裝配式橋梁的抗震進行計算是非常有必要的。在本篇文章當中以實際工程對其進行了研究，希望能夠為相關(guān)工程提供一定的幫助。