基于抗震性能考虑的高墩桥梁设计

彭康

摘  要：通过总结山区高墩桥梁在遭受地震力作用时易出现的病害，结合高墩桥梁的受力特点和常用的抗震分析方法提出在进行山区高端桥梁设计时应考虑的因素并提出相应能增强结构抗震能力的措施，为工程实践提供参考。

关键词：山区;高墩桥梁;抗震;设计

中图分类号：U442.55       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）18-0038-02

Abstract： By summarizing the diseases that are easy to occur when high-pier bridges in mountainous areas are subjected to seismic forces， combined with the mechanical characteristics of high-pier bridges and the commonly used seismic analysis methods， this paper puts forward the factors that should be considered in the design of high-end bridges in mountainous areas， and puts forward corresponding measures to enhance the anti-seismic capacity of structures， so as to provide reference for engineering practice.

Keywords： mountain area; high pier bridge; earthquake resistance; design

引言

随着近年来我国经济的飞速发展，国家对西部地区和西南部分地区交通设施的投入逐步加大。但由于我国西部地区山高沟深的自然地理条件限制，使得在这类地区修建常规桥梁存在造价高、难以适应地形的缺点，而高墩桥梁由于其跨越能力大、适应线路能力强的特点被广泛应用于这类地区中，而我国属于地震活动频繁的国家之一，地震灾害频发[1]。因此关于山区高墩桥梁的抗震问题引起了研究人员的重视。

1 山区高墩桥梁的特点及主要震害

根据已有的工程经验和文献资料总结发现，高墩桥梁具有以下特点：（1）采用变墩高用以满足山区桥梁平竖曲线半径较小;（2）山区高墩桥梁的上部结构的结构形式往往采用多跨连续梁或连续刚构;（3）该区域的桥梁下部结构主要采用墩高相差比较悬殊的薄壁空心墩。基于以上特点在对高墩桥梁的前期选址时就应综合考虑以上多个方面的因素，以提高结构在极端条件下的抗力。

在分析大地震发生后的桥梁震害数据后，发现高墩桥梁的震害主要表现在以下方面[2]。（1）桥台移位，桩柱倾斜、折断，施工缝与主梁由于地震力的作用而相互碰撞导致损坏;（2）桥墩下部混凝土压碎、钢筋屈服;（3）支座倾斜、剪断，脱空;（4）抗震挡块被剪断、混凝土被压碎。

2 高墩桥梁在地震中的受力特点

山区高墩桥梁为了适应地形的限制，大多数属于结构不规则的曲线桥。查阅已有文献表明，桥梁的地震响应受曲线桥梁的几何形状影响，同时桥墩形式也是影响桥梁地震响应的主要因素之一。而山区高墩桥梁大多数采用高墩矮墩的组合的形式，这会使得高墩桥梁在地震中的受力更为复杂，曲线段的斜桥桥墩传递给上部结构的地震力与桥梁结构的轴线斜交，使得桥梁的上部结构在平面内转动;当转动力大于盖梁上的抗震挡块的抵抗能力就会发生落梁破坏，此外还会造成主梁与伸缩缝之间的破坏[3]。在地震力的作用下，高墩的墩顶位移较大。研究成果表明造成墩顶位移较大的主要原因是桥墩的刚度与质量的不平衡。水平地震力的分配主要受相邻墩的刚度和质量的影响，刚度与所承担的水平地震力存在线性关系，因此采用连续梁结构的桥梁相邻跨的刚度应尽可能保持一致，以保证结构的整体抗震能力。

3 抗震设计

3.1 抗震分析方法

在总结前人的研究经验的基础上，经过几十年的发展，抗震的分析手段不断完善。目前使用较为普遍的抗震分析方法主要是以下三種[4]。（1）增动量分析方法（IDA方法）;（2）反应谱方法;（3）静力弹塑性方法（push-over方法）。

（1）增动量分析方法（IDA方法）。该方法是近年来发展起来的一种研究结构抗震性能的动力参数分析方法。其主要特点是能够将一条地震动记录按照不同的系数调整为多重强度的地震动，将单一的时程分析扩展为增量时程分析。进而得到结构在不同强度的地震动情况下的结构性能。

（2）反应谱分析方法。该方法主要考虑结构各频段振动幅度最大值和频谱两方面忽略地震作用的随机性。此外只有结构在弹性阶段时使用反应谱分析，当结构进入非弹性阶段时就需采用时程分析法。我国反应谱方法采用的曲线是根据255条地震波的地震反应平均值绘成，体现的是共性无法反映结构进入塑性的整体结构性能[5]，但该方法在使用上具有一定的局限性。

（3）静力弹塑性方法（push-over方法）。该方法有动力非线性分析和静力非线性分析两大类。其中动力非线性分析能够较为准确地得到结构在超常规地震下的反应全过程，但在计算过程中计算量较大，分析工作繁杂且计算结果受构件恢复力和屈服模型的影响[6]。静力弹塑性分析方法主要是在结构计算模型布置按某种规则分布的水平侧向力，逐级加大;若构件达到屈服状态即修改其刚度，使其退出工作状态，进而改变结构的总体刚度，进行下一阶段的计算;如此重复计算直至达到预定状态（屈服或达到目标位移）;从而得到有关结构抗震性能的结果。

3.2 抗震设计考虑的因素

处于山区的高墩桥梁为了适应地形，大多数采用变墩高的设计。由前文分析可知墩的刚度和质量影响结构承担的水平地震力，故而在进行抗震设计的时候要充分考虑各方面的因素。

（1）考虑地震的多点激励。已有的地震记录资料表明，在经历同一次地震时，受地形和断层等因素的影响，即使相隔较近的距离，地震波的振幅、相位、频谱特性都会表现出较大的差异。因此在对山区高墩桥梁的抗震计算时，应将地震的多点激励纳入考虑。

（2）动力非线性影响。高墩桥梁在承受静力荷载的作用下就能表现出非线性变形，这类桥梁中承担轴力的大跨度刚构桥对变形的影响最为突出。地震动对结构影响的实质就是荷载随时间变化的支座移动产生的荷载，而地震动具有非线性的特点故而对结构的影响属于非线性影响。

（3）考虑高阶振型的影响。在地震力的作用下，高墩的墩身会产生一段塑性铰区域，地震波的频谱特性会影响该区域的大小。考虑高阶振型的影响能有效提高结构的抗力。此外对于山区高墩桥梁这类桥梁，通常采用墩身截面曲率描述结构的损伤状态[3]，截面曲率最大的桥墩受高阶模态贡献程度的影响。换言之，高墩桥梁的破坏模式和损伤过程取决于高阶模态的贡献程度。

4 常用的抗震措施

工程实践中采用一些必要的抗震措施用来降低地震力对结构的损伤。常用的抗震措施有以下四种[7]：（1）顺桥向连梁装置;（2）桥墩处设置抗震挡块;（3）恰当选择桥墩的结构类型;（4）新式减隔震支座的运用。

（1）顺桥向连梁装置。顺桥向连梁装置能够将相邻跨的梁连接成为整体，结构在遭受地震力的作用时能够降低梁相对于墩顶盖梁顺桥向的位移，从而避免出现落梁现象。常用的顺桥向连梁装置主要采用抗拉强度较大的精轧螺纹钢筋或是采用体外预应力束。

（2）桥墩处设置抗震挡块。抗震挡块具有结构简单、施工方便的特点在工程中得到了广泛的使用。但其属于刚性抗震措施，在遭遇低于设防烈度的地震时就有可能导致挡块的混凝土被挤碎，失去其原有的功能。因此在桥梁养护过程中加强对抗震挡块的维护十分有必要。

（3）恰当选择桥墩的结构类型。随着施工技术的发展，新型自耗能桥墩在工程中已经得到运用。这类桥墩采用混凝土角柱、装配式刚连梁和混凝土薄壁板组成。桥墩在遭受地震力的作用时，混凝土薄壁板吸收地震力产生的能量而产生破坏，从而保护混凝土角柱，保证结构的承载力。

（4）减隔震支座的运用。目前桥梁上广泛使用的支座主要分为橡胶支座、摩擦摆支座和软钢阻尼支座这三类，其中橡胶支座中铅芯橡胶支座由于其造价较低的优势得到广泛的应用。通过在安装合适的减隔震支座能够有效降低桥梁在遭受地震力作用时的破坏，从而避免产生严重的后果。

5 结束语

山区高墩桥梁由于自身的特点在遭受地震力作用时会产生难以修复的损伤，从而导致交通生命线被迫中断，对沿线生产生活造成严重影响。因此在设计之初就应结合桥梁易出现的病害和现有的抗震分析手段充分考虑各方面的因素，以提高结构的抗震能力。

参考文献：

[1]ZHIGANG S， ZONGJIN M， JIN'AN C， et al. The Characteristics of Time Series of Strong Earthquakes in the World and the Chinese Mainland[J]. Earthquake Research in China， 2013，27（03）：301-315.

[2]劉文华，黎立新.山区高墩桥梁抗震设计[J].公路，2010（07）：67-72.

[3]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，2013，35（04）：858-65.

[4]许庆鹏，丁修玺.浅谈高墩桥梁抗震设计[J].科技创新导报，2012（08）：119.

[5]卢皓，管仲国，李建中.高阶振型对高墩桥梁抗震性能的影响及其识别[J].振动与冲击，2012，31（17）：81-85+98.

[6]李茜，王克海，韦韩.高墩梁桥地震响应分析[J].地震工程与工程振动，2006（03）：74-76.

[7]杨荣生.高墩桥梁抗震研究现状[J].黑龙江科技信息，2017（08）：167.