高陡边坡桥梁高墩设计与施工技术分析

张瑞德

摘 要：高速公路快速向山区发展，产生许多高墩大跨桥梁，山区桥梁如果遭受自然灾害，修复十分困难，所以，要求桥墩结构具有良好的施工质量，可较好抵抗自然灾害。文章分析了高陡边坡桥梁高墩设计与施工技术，从边坡稳定性及地震易损性分析入手，为相关研究提供借鉴，促使当前研究取得实质性进展。

关键词：桥梁；高墩；设计；施工

近年来，桥梁桥墩高度逐渐增加，上部结构变得更轻，稳定性引起的结构安全问题开始出现。国内外研究可见，对桥墩施工质量、受力性能及抗震防灾能力等，当前缺少快速有效评估方法，无法判断工作状态是否在设计要求内。所以，分析对桩基作用下高陡边坡的稳定性十分重要。对桥梁抗震性能评估与加固研究、工程实践，我国在这方面较为薄弱，缺少针对性的桥梁抗震性能检测与评价手段。高墩大跨桥梁在地震作用下比低墩桥梁的非线性更加明显，国内外在高桥墩抗震设计上存有缺陷，研究高桥墩抗震性能尤为关键。

1 利用有限元法分析边坡稳定性

1.1 有限元法

计算机技术涌现，有限元理论不断丰富，边坡稳定分析进入新起点。有限元法本质思想，离散联系体，转变成有限数量的大单元体集合，单元体间只通过节点进行连接与制约，以变换的结构体系替换原来真实连续体，经过标准结构分析处理后，化数学问题为求解线性方程组。结构有限元分析往往被分成以下几个结构过程：单元、单元特性分析、集合成整体、数值求解。材料应力应变关系、开挖施工过程对边坡稳定的影响等均是有限元考虑对象。结合土的非线性应力-应变关系，借助有限单元法，获得各单元应力应变，根据各强度指标，明确破坏区所处位置及扩展情况。

1.2 强度屈服准则

常规对边坡稳定分析时，极限平衡方程采用“摩尔-库伦屈服准则”，稳定系数定义：滑动面抗滑力和下滑力的比值。

1.3 明确边坡稳定性安全系数

以有限元分析边坡稳定时，可采用减低岩土材料抗剪强度的方式，促使结构达到不稳定状态，这时折减系数=边坡稳定安全系数。从实质意义上讲，有限元强度折减法类似于传统方法。

2 对地震易损性的研究

2.1 经验易损性曲线

对收集的地震震害资料，以经验统计方法评估结构易损性，获得结构易损性曲线。在1995年神户地震观测桥梁损伤数据基础上，构建通过两参数对数正态分布函数表征经验易损性曲线，以最大概率评估参数。结合能力与需求形成了认识与随机方面不确定的易损性曲线。国内研究者统计唐山大地震中272座铁路桥梁损伤率，整理分类海城和唐山大地震中受破坏的56座桥梁按结构构造。

2.2 理论易损曲线

理论易损性曲线，计算、分析桥梁地震反应而获得，该方法尤其适用仅有有限震害资料建筑物易的损性评估抑或无地震震害资料。理论易损性分析包含三个参数：结构抗震性的地震需求、结构抗震能力、地震强度指标。当前常用的构造易损性曲线方法包括非线性静力分析法、非线性时程分析法、反应谱分析法。

其中，能力谱方法，受地震荷载作用，该方法借助简单化的非线性方法分析结构，是当前经常用到的非线性静力分析方法。时程分析法在抗震设计中被称作“动态设计”。以结构基本运动方程输入地面加速度记录，求解积分，继而获得整个时间短地震反应，非线性分析结构最可靠，可真实反应结构在地震作用下引起的响应。在理论易损性分析方法中，反应谱分析法简单有效。研究将桥墩模拟成单自由度体系，利用反应谱分析法尝试分析高速公路上桥梁地震易损性。这种方法粗糙简单，首次进行了地震易损性分析。

2.3 明确桥梁结构损伤指标

所有结构理论易损性曲线，其划分结构损伤等级都不可缺少，而划分结构损伤等级需依靠结构损伤指标，先明确结构破坏准则，才能确定损伤指标。破坏准则，当前破坏准则包括许多强度准则，归纳起来有下述几种：强度破坏准则、变形破坏准则、能量破坏准则能量、变形和能量双重破坏准则、基于性能的破坏准则。

（1）强度破坏准则，强度破坏准则是最传统也是应用较为广泛的破坏准则，在容许应力法或者承载能力极限状态法基础上形成的结构设计均要使用这个准则。研究工程抗震前期，若地震力为拟静力荷载，作用于结构。地震力大小和结构强度决定结构安全性能。强度破坏准则简单、直观、合理。进行结构抗震设计时，因为经济因素，往往允许预期强震动作用引起的结构弹塑性变形，受强震动作用，结构无强度储备，强度破坏准则不适用，同时要考虑变形强度准则。（2）基于性能的破坏准则，上述结构地震破坏准则，均和防止倒塌破坏要求相对应。近些年国内外地震教训惨重，受地震大范围破坏的城市桥梁虽少，但可能引发较严重社会后果。考虑这点，美国学者在性能基础上提出抗震设计思想。（3）变形破坏准则，变形强度屈服准则中规定，允许最大变形破坏界限值，结构最大位移反应不超过限值。当前各国桥梁抗震设计规范，大体不同程度上采用变形强度准则。（4）能量破坏准则，当前形成的不同抗震设计技术与方法，一定程度上以能量概念进行阐述。但以量概念构建的破坏准则应用在当前实践中尚有困难。（5）变形和能量双重破坏准则，结构破坏由变形与累积耗能共同形成。对钢筋混凝土结构，仅从从理论层面看，相比变形破坏准则，这种准则可能是较为合理的破坏准则，同时兼顾结构最大变形效应与累计损伤效应。

此外，损伤状态和损伤指标，现阶段我国新建筑规范将遭受地震的破坏结构分为“基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌”共五个等级。损伤指标的确定，钢筋混凝土延性构件中的非弹性变形能力，源于塑性铰区截面的塑性转动能力，在构件曲率延性能力基础上形成。利用桥墩弯矩-曲率，经过分析，获得塑性铰区曲率延性能力。地震波的输入，地震随机性强，输入各种地震波，获得地震响应结果差别较大。地震三要素包括峰值、频谱特性、地震动持时。但国内通常以设防烈度作抗震设防，同时结合已有地震信息，分析地震危险性，获得地震危险性分析结果，可轻松获得地面加速度的概率分布。

3 结语

高陡边坡桥梁高墩施工多见于公路桥梁建设中，是一种常见结构。文章研究了高墩桩基施工中边坡稳定性及易损性能的桥墩抗震评估。桥梁高墩设计施工要结合施工特点，分析控制施工问题，确保良好的桥墩施工水平与质量。笔者初步分析了高墩大跨桥梁中高墩设计与施工技术，因为能力与学识限制，文中探讨尚需深入研究。

参考文献

[1] 单飞.浅析高速公路高墩桥梁设计施工技术[J].科技创业家，2014， 5（06）：23.

[2] 许定伦.桥梁高墩设计与施工若干关键问题分析[J].城市建筑， 2014，11（02）：296.