装配式桥墩发展及其抗震性能研究

2021-03-31李志斌

砖瓦 2021年6期

李志斌闫梦

（浙江中路交通设计有限公司，浙江嘉兴 314000）

随着我国经济发展，人们出行频率越来越高，交通量大幅度增加，为了缓解交通压力，促进各区域之间的联系，在城市中以及各地区之间建立了大量交通设施，而桥梁在其中也发挥了重要的作用。随着预制拼装技术不断成熟，这种技术被大量运用于桥梁的建设中，使得装配式的桥墩取得了很大的进展。我国属于地震频发的国家，我国大多省份都曾发生过六级以上的地震，地震的震源浅、分布广、烈度高、伤亡大，具有突发性以及很强的毁灭性，会给人们生命财产安全带来巨大损失。桥梁是交通的关键部分，一旦被破坏，很难被修复，不但加重灾害的程度，而且会给抗震救灾工作带来巨大困难。因此要十分注重桥梁震害产生的原因分析以及抗震设计的研究，有效减少地震对桥梁造成的不利影响。

1 装配式桥墩的发展与应用

随着预制拼装技术的发展，桥梁中越来越多的运用到了这项技术。节段拼装的相关技术主要运用在桥梁的上部结构建造上，随着技术越来越成熟，在下部结构中也有所应用，并在朝着不断增多的趋势发展。欧美日等发达国家在20世纪60年代已经在桥梁的下部结构中运用到了预制拼装技术。在20世纪中期，我国也开始尝试使用装配式的桥墩。在青藏线的希格工段建设有326座装配式的桥墩，其接头十分牢固，结构也十分安全，在刚度、强度以及稳定性方面都满足了通车运营的需求。成昆线连接了我国四川省与云南省，地震频发，对于桥墩的要求较高，在该铁路线的张家村大桥、和平村大桥以及牛日河4号大桥都采用了拼装式的桥墩。随着交通量的增加，在运输方面对交通路线的承载力以及运行速度有了更高的要求，那些初期建好的装配式桥墩已经逐渐不能够满足当代运输的要求，而且产生了一定的安全隐患，所以要对其进行重新设计，提高运输线路的性能以及使用寿命，满足当前运输的要求。拼装式的桥墩除了运用在铁路运输中，在公路运输中也有着很多的应用。比如，著名的杭州湾大桥、东海大桥、长江大桥以及在2018年正式通车运营的港珠澳大桥等都运用了拼装式的桥墩。对与大尺寸的多柱式桥墩在桥梁的建设中也有了比较多的应用，结合了双柱式和单柱式桥墩的一些优点，给桥梁的建设提供了更多的方案。拼装式的桥墩，大大提高了桥梁建设的效率，缩短了建设的周期，为早日投入运营提供了条件。

2 桥梁抗震性能研究的现状

目前国内主要对单柱式的拼装桥墩的抗震性能研究比较多，对于双柱式的桥墩的抗震能力还没有比较系统的研究。

2.1 单柱式拼装桥墩的研究

预制桥梁结构在20世纪中叶在欧洲开始使用，目前已经在全世界的桥梁建造中得到了普及。但是目前国内的桥梁建造仍然使用的是现浇法，预制拼装的施工较少。为了适应现代交通的发展需要，工程建设越来越需要拼装式的桥墩建设方案。国内外的教授、学者、工程师都对单柱式的桥墩进行了相应的研究，并取得了很好的成果。在研究中发现，拟静力试验还存在着诸多不足，需要增加更多的振动台试验来完善实验数据，以便进行更深层次的研究。在单柱式桥墩的振动台试验中也有很多需要进行改进之处。

2.2 双柱式拼装桥墩的研究

我国从20世纪对双柱式的拼装桥墩也在进行不断的研究，随着计算机技术的应用以及实验的条件也有了很大的改善，给双柱式的拼装桥墩的研究带来了新的契机。通过建立更加精确的模型，使之与实际情况更加吻合，对于研究各构件之间的连接方法以及抗震行为提供了更多、更精确的参数。但是，随着交通发展的要求，目前的科研成果相对来说仍然不能够满足时代发展的需求。

3 基于性能的桥梁设计方法

任何桥梁设计都要基于桥梁的性能来进行设计，这也是未来进行桥梁抗震设计的基本方向，目的是为了使桥梁在投入运营的过程中，可以抵抗不同强度的地震，保持桥体的完整性与可靠性，能够对桥梁结构的一系列破坏状态进行有效控制，使桥梁的结构能够表现出超强的性能水平。使整个桥梁在服役期限内，有效的应对可能发生的地震破坏。在相关的道路桥梁建设的规则里虽然有一些对于抗震设计的思想，但是对于这些准则没有进行量化，规定的不够明确，在实际的建设中很难有效进行控制。面对这种问题，我国的桥梁设计与建设者、研究者都要不断创新，改变落后的桥梁施工技术，大力研究拼装式的桥梁建设，基于性能对拼装式的桥墩进行研究以及设计，将好的研究成果充分运用到实际建设中来。

4 目前研究的不足之处

目前我国北京、上海、武汉、重庆的各大城市已经将装配式的桥墩技术重视起来，并且不断在进行运用以及尝试，虽然已经有了不少的拼装式桥墩的实践成果，但是在抗震性的研究方面仍然有不足之处。主要表现在：第一，应用在实际建设中的双柱式桥墩的建设方案中，对于如何使用预制拼装的方式来设计、施工仍然没有比较成熟的方案以及施工规则，对于如何保障双柱桥墩的抗震性没有有效的措施；第二，对于双柱桥墩的不同构造措施下的抗震理论分析不足，试验研究并不充分，比如有黏结的预应力筋、无黏结的预应力筋、干接缝、湿接缝、铰接缝等；第三，如何才能够更加便于施工、改善各种构件的抗震性能、装配桥墩的耐久性能以及施工更加节约资源等都没有进行充分的研究以及验证；第四，对于双柱式的拼装桥墩在预应力砼桥梁结构体系中的抗震性能以及容易受损的部位、破坏模式等由于缺乏相应的参考资料，对这些内容的研究还处于空白的状态。作为比较基础的一项研究，这些研究成果对于提高我国拼装式桥梁的抗震性能有着重要的作用，并且对于我国建设大型的跨海桥梁、城市高架桥以及在其他一些建设环境恶劣的地方建设桥梁都有着很强的指导作用。

5 未来研究的方向

随着科学技术的进步，为桥梁的建设提供了很好的技术基础，突破了以往由于计算方法、实验手段等的限制，改变了以往只能够通过对静力进行研究的方法，采用动力和静力相结合的方法，使研究成果能够很好地反映桥墩的高阶振型以及桥墩的质量影响，使研究成果能够直接用于桥墩抗震设计中。

5.1 研究并提出双柱式拼装桥墩的构造体系

在此体系中要对桥墩的构造进行详尽的表述，满足桥梁建设施工的要求。对于拼接所产生的接缝要满足桥梁的长期使用，具有较好的耐久性，另外，还要保证其具有经济性，能够节约建设的成本，在制作与安装方面要便于施工。在地震频发的地带，要保证桥墩能够有强大的静力承受能力，也要有较强的滞回曲线的性能。在进行该方面的研究时，要广泛的采取各施工设计单位的相关意见，对桥墩预制拼装的难易程度有准确的了解，最终制定符合实际的施工流程以及施工工艺。

5.2 开展对装配式桥墩的拟静力以及振动台的试验研究

针对工程师推荐的相关方案，建立缩小尺寸的混凝土模型，通过对该模型进行纵桥向拟静力试验和横桥向拟静力试验，研究桥墩在遭受破坏时的特点。运用振动台的试验方法对模型进行研究，研究在地震情况下，拼装式桥墩被损坏的全部过程，研究在地震中，桥墩的极限位移、极限荷载以及整体的侧向刚度其衰减的规律如何。

5.3 对双柱式的装配桥墩进行数值模型分析

在进行分析模型时，一般会对纤维模型、有限元模型以及集中塑性铰模型等模型进行分析。通过构建桥梁实体有限元的相应模型研究装配式桥墩在接缝处的混凝土的受力特点以及接缝处由于振动产生的碰撞行为特点，发现接缝处的碰撞对于节段式的桥墩的抗震性有什么影响，以及其规律是什么。对纤维模型的研究可以得出地震响应非线性时程。集中塑性铰模型可以对实用的设计方法进行研究，并且能够简化非线性地震的反应分析。

5.4 研究基于桥梁性能的装配式桥墩设计方法

通过分析模型之后得出有效的实验结果，通过分析各种参数以及规律，提高装配式桥墩的性能，进而提高整个桥梁的性能以及使用寿命。在分析的过程中研究增量动力对于桥墩结构的易损性有何影响，分析出使用装配式桥墩的桥梁在地震中容易受损的部位以及损伤的水平，由此来判定桥梁各部分构件以及桥梁整体结构的抗震标准和需要达到的性能目标，给予桥梁的性能设计建造抗震性更强，更符合交通需要的桥梁。