山区高墩桥梁抗震设计

山区高墩桥梁抗震设计

王立国

中交一公局公路勘察设计院有限公司北京100024

摘要：随着我国经济发展水平的不断提高，桥梁工程建设取得了显著成果，工程项目的增多对工程质量也提出了更高要求。由于我国山区地质地貌环境复杂，桥梁施工难度增大，并且一些地区属于地震高发区，高墩桥梁一旦受到地震破坏修复难度将非常大。由此，本文主要对山区高墩桥梁抗震概念设计进行论述，结合工程实例提出优化设计策略，以为相关单位提供一些借鉴。

关键词：山区；高墩桥梁；抗震设计

1.山区高墩桥梁抗震概念设计

将工程概念作为依据，依据抗震基本设计原则与基本思想，遵循工程客观规律与实际情况，分析并判断一些难以在计算或者规范中作出规定的问题，并由此采取一些措施宏观调控设计对象。当前，结构抗震设计方面没有具体的规定，且没有发现结构受地震作用产生的一些规律。概念设计在一定程度上影响着抗震设计的合理性，其重要性甚至要比计算设计高，主要包含了桥梁位置选取、桥梁上部、下部结构选取以及桥梁类型、桥梁连接件、配筋方式选取等内容，其中最为重要的是桥梁位置、整体结构及桥墩类型的选取。

1.1桥梁位置选取

一些因素在设计中通常无法主观调整，比如地形地貌、交通流量，并且会制约桥长、桥、平竖曲线等的确定。而桥梁形式是桥梁结构地震响应的主要影响因素之一，可以由设计师主观分析与确定。一般来说，平竖曲线半径较小、有较多弯道的地方是山区高墩桥梁建设适宜位置，以变墩高的曲线桥居多，并且有着更为复杂且不规则的结构。

1.2桥梁整体结构

桥梁的质量直接受桥梁整体结构影响，出现较大位移是高墩桥梁受到地震影响后主要表现，桥梁刚度与质量不均衡是出现这一情况的主要原因。因为山谷两侧山体有着较大坡度，并且差异较大对于桥梁墩高来说，容易出现刚度不一的情况对于相邻两个桥墩。一旦发生地震，无法均匀分配水平地震力，在各桥墩之间。如果刚度持续增大或者瞬间增大，桥墩承受力进一步增大，偏移刚度的扭转中心，桥梁上部、下部结构均会出现水平转动，增加了桥梁破坏几率。可以最大限度保证桥梁刚度与质量平衡的是简支梁结构与等桥面宽度、等墩高。由此，设计高墩桥梁时，可以结合实际情况调整桥墩直径、支座形式等，以保证高墩桥梁质量与刚度的均衡，降低地震破坏几率。

1.3桥墩类型选择

不规则的曲线桥梁是山区高墩桥梁主要桥墩类型，因为这种几何的桥形会影响到地震响应。同样会产生较大的轴向力，即使是独墩的桥梁受到地震横向力时，结构的不规则更会进一步复杂化将桥梁的受力情况，同时也会影响到高墩的受力情况。耦合后的桥梁高墩与矮墩，矮墩通常承受的力高过高墩，是容易受到破坏的主体；而如果不耦合，出现位移的是墩顶，支架脱落或者落梁破坏会出现，主梁容易受损。由此，做好墩的选型也非常重要。

有着较好抗弯刚度的是双柱墩，这是因为其有着较好的横向抗弯刚度、过高的桥墩，因为弯矩力、轴向力等因素影响会破坏墩柱。为此，墩高低于30m的桥梁中适合这种结构。T形独柱墩有着较大的抗扭刚度、抗弯刚度，大刚度的墩柱与预应力悬挑式盖梁结合的形式一般较为常用，有着较小的截面挖空率与较小的横向截面尺寸，这也是横向刚度小的一个关键原因。由此，墩高在60m以上的不适宜这种结构。与T型独柱桥外观与空心薄壁墩存在一定相似性，但是空心薄壁墩有着更大的截面尺寸且有较大的横向截面刚度，在墩高80m以下的桥梁中适宜应用。较为常规的一种双柱墩为门架墩，一般墩高低于90m的桥梁适宜这种墩结构。

1.4山区高墩桥梁抗震计算方法

当前，时间历程法在山区高墩桥梁抗震计算中应用日趋普遍，该方法是直接输入结构动力方程中，将地面加速度地震波，从而将桥墩结构振动时位移得出的一种计算方法。地震较为强烈的时候，非线性弹塑状态是高墩桥梁出现的一种严重状态，此时，结构弹塑性能够与地震的输入特性有效结合起来，通过时间历程法。由此，拟静力法与反应谱法在计算设计中应用均不如时间历程法，但是该方法也有一定弊端，比如，计算更为繁琐，外部影响因素多，但是在计算机技术飞速发展下，该方法逐步克服了以上弊端，使其在抗震计算设计中应用有更明显的优势。除了时间历程法以外，反应谱法、拟静力法两种常见的方法也在一些山区高墩桥梁设计中有所应用。反应谱法是依据标准反应谱，通过地震惯性力对结构自身加速度动力反应进行表示，从而转换为静力问题将动力问题，最后进行计算处理；拟静力法是一种近似非线性抗震分析法，在结构变形计算中应用较多。

2.工程实例分析

某桥梁工程需跨越深谷，桥墩的墩高超过40m，有着9级的抗震强度要求，现对桥墩选型相关问题进行具体探讨。该桥梁所处位置为平面曲线，弯矩耦合振动是桥墩地震响应，由此提出了更高要求对桥墩截面形式抗弯与抗扭刚度，并且要保持一致性对于各个方向上的抗弯刚度，要能够将标准要求满足。双柱墩有着较强的横向抗弯刚度，但同时也有较差的纵向抗弯与抗扭刚度，对于高度较高的高墩桥梁不适用，由此在设计上未采取这一结构。虽然门架墩有着较强的刚度，但是在高度增加下，同样会出现较差的横向刚度与抗扭刚度。最后，抗弯、抗扭能力均较好的是T形墩及空心薄壁墩，设计最终采取这两种结构。

初步将桥墩形式确定下来以后，就要确定桥墩的尺寸，通过全桥建模、计算静力的方式。该桥平面曲线半径为87.52m，桥宽为9.8m，桥面连续结构为纵面，确定计算模型通过两联八孔的方式。对不同桥墩形式桥梁的自振特性分析，结合该计算模型，可以最终将桥梁前三阶振型频率与周期计算出来。通过最终计算，将空心薄壁墩、门架墩、T形墩、双柱墩刚度得到，即刚度最大的是空心薄壁墩，然后是门架墩、T形墩，最后是双柱墩，可以看出刚度最好的是空心薄壁墩，最差是的双柱墩，桥梁第一阶具体振型频率及周期见下表1。

表1第一阶振型频率及周期

分析了地震响应以后，通过采用时间历程法分析，比起其他三种结构，空心薄壁墩在墩底横向抗弯力、墩底扭矩力及墩顶的位移上均更好，尤其是抗弯刚度与门架墩基本相当，最终该高墩桥梁设计采用了空心薄壁墩。

结语：

总之，山区高墩桥梁建设难度大，在抗震设计上更要考虑到多种因素，对桥梁位置、桥梁整体结构、桥墩类型优化选择，并采用更为科学的抗震计算方法，这样才能进一步将山区高墩桥梁的整体稳定性、强度提升，减少地震对桥梁的破坏。

参考文献：

[1]李鑫，汪凡.山区高速公路高墩桥梁抗震性能研究[J].建筑工程技术与设计，2017，（3）：633.

[2]卢皓，李建中.强震作用下高墩桥梁抗震性能特点分析[J].地震工程学报，2013，（4）：858-865.