浅析山区高烈度地震区连续刚构桥抗震设计

夏荣泉

合肥信睦工程建设有限公司 安徽 合肥 230000

引言

本文将以某地方公路桥梁建设作为分析对象，该路段的抗震烈度为9度，并且地形、地貌相对复杂，存在大量的陡坡与深沟，且大跨度结构较多，根据实际调查显示，该地区的抗震设计已明显超出桥梁设计规范中的使用范围，因此需要根据其结构特点，明确抗震概念设计内容，确保后续提出的设计方法切实可行。

1 山区高烈度地震区连续刚构桥抗震概念设计探究

概念设计即是依照地震灾害特征以及相关工程经验所制定的基本设计思路与建设原则，确保结构改造方案切实满足使用需求，达到解决实际问题的作用。在进行概念设计时需要保证设计后的桥梁结构刚度、延性等指标满足安全标准，要求各构件组合后能够保持较高的经济效益，符合抗震目标。

该主桥的最大桥高为90m，主桥孔跨为连续钢构结构，在桥梁两侧则是以30m跨先简支后结构连续T梁为主，桥宽为16m，其中桥型布置立面中的第一联属于4×30结构连续T梁，第二联为（50+90+50）的连续刚构，第三联同样为4×30结构连续T梁。主墩则是使用双肢薄壁墩，属于墩梁固结形式，而在分墩处则设有滑动支座、在引桥位置采用双柱式矩形墩、墩顶设置盖梁、T梁支点则设置高阻尼橡胶支座。山区高烈度地震区连续刚构桥本身拥有较高的变形能力，可以利用墩梁固结的方法进一步限制桥墩变形，借助高墩降低地震作用的不良影响。科学、合理地进行桥墩结构选型以及配筋设置不仅可以保证桥梁整体具有良好的延性，还能形成天然的隔震体系，使抗震效果达到最大化[1]。

该连续刚构桥采用的主墩结构形式为双薄壁墩，规格为宽8.7m、厚1.5m，由于该路段相对陡峭，因此主墩的墩高具有一定的差异性，分别为50m与40m，如若依照结构力学平移刚度公式计算，可知二者的刚度比为0.49，难以满足抗震设计规范中的相关要求，会使主墩的受力过于集中，容易引发安全事故。此外，经过模拟主墩横向宽度与梁底宽度可知，二者宽度相同均为8.7m，这样主墩的横向高宽比例分别在6.1与4.5，而横向偏大的刚度必然会导致桩基础承受极大的墩底弯矩，从而使基桩压力过大[2]。

此外，为了保证后续抗震设计能够有序实行，还要做好公路桥梁检验，判断桥梁的整体性能，比如：击实检测，是当前公路桥梁试验检测中较为常见的一种，该技术能够极大的加强所需填土的密度并降低其透水性。在工程过程中，依据所使用的粒径大小将其分为重型击实和轻型击实。粒径长度小于5mm的土使用轻型击实，而粒径在20mm以上的土使用重型击实。在进行公路桥梁试验检测时，通常将较为湿润的土壤作为研究对象，土壤必须含有一定量的水分，才能保证土的压实度。实验过程中所使用的压实工具为击实仪器，在击实完成后，统计相关数据进行曲线图绘制，得到检测结果；射线检测，是目前公路桥梁试验检测技术中较为新颖的一种。其方法是通过红外线技术检测桥梁中一些相对隐蔽的问题，特别是对于桥梁中一些细小的裂缝和破损，能够有效地进行检测，提高工作效率。在施工完成后，同样以图形的形式表现出来，根据相关数据分析，进行问题的处理和桥梁的维修工作，进而使桥梁的使用寿命进一步延长。射线检测技术具有先进性和高效性等特点，使检测结果更准确、更科学。但也存在一定的安全隐患，检测技术中的红外线如果长期使用会产生辐射，危害人体健康。所以在进行射线检测工作时，一定要提前做好防范措施，尽可能地减小辐射带来的影响[3]。

综上所述，在制定抗震设计方案、明确抗震设计基本思路时需要充分考虑各个桥墩的刚度匹配，保证桥梁具有极强的稳定性与安全性，并在原设计上进行适当的构造调整，比如：①将主墩的整体式承台转变为纵向分离式承台，以此达到减少墩底转动约束刚度的目的，同时要适当降低矮墩的截面大小，以此实现抗震作用的均匀传递，防止构件应力过度集中，破坏桥梁结构；②将主墩整体截面进一步拆分成横向双柱，起到降低主墩刚度的作用，并保持主桥与引桥的振型频率一致，在安全标准范围内加强主墩纵向刚度，控制好梁体位移，使位移量满足抗震设计规范；③要在主桥分离墩位置布设钢丝绳支座，这样当出现位移超出安全标准值时能够提供极强的水平抗力，进而避免落梁现象的产生。

2 结构动力特性

为有效开展结构动力特性分析，相关工作人员可建立桥梁结构空间线性动力模型。此时，最为实用的软件是Midas Civil，这种空间有限元分析软件在桥梁结构分析设计领域应用最广。基于模型，可对山区高烈度地震区连续钢构桥梁的梁体加以模拟以便提高结构可靠性。基于空间梁单元模拟，完成主梁、墩柱结构分析，在梁结构当中潜在塑性铰单元都必须选用合适的截面。比如，选用纤维截面满足桥墩柱顶底单元以及系梁的结构稳定需求。当然，这一过程中也应该通过作用力模拟完成结构分析。比如，向桩身梁单元施加离散侧向土弹簧，使之模拟桩-土机构之间的相互作用力，并在此环节对碰撞效应（相邻梁端）、限位效应（钢丝绳与支座摩擦）加以考量，从而实现间隙与钩单元的科学设置。

从现实角度来看，基于动力特性能够有效分析结构整体的抗震性；在实际作业环节，基于这一参数可确定该结构的质量与刚度分布情况，从而获得抗震分析依据。通常来说，结构使用中的部分参数具有抗震控制作用，比如结构前几阶自振频率和振型。基于此，笔者将依照桥梁前3阶振动频率开展动力特性分析。选用方案一时，桥梁前3阶的振动频率、振动周期以及振型如下：①一阶振动频率为0.265Hz，振动周期为3.770s，振型为主桥纵移；②二阶振动频率为0.376Hz，振动周期为2.658s，振型为引桥第三联纵移；③三阶振动频率为0.398Hz，振动周期为2.513s，振型为引桥第一联纵移。而选用方案二时，桥梁前3阶的振动频率、振动周期以及振型如下：①一阶振动频率为0.374Hz，振动周期为2.348s，振型为主桥横移；②二阶振动频率为0.385Hz，振动周期为2.421s，振型为主桥纵移；③三阶振动频率为0.395Hz，振动周期为2.481s，振型为引桥第三联纵移。由此可见，无论是主桥还是引桥都未出现较大的自振频率，这一情况主要源自于桥墩高度与柔性大，而且引桥拥有高阻尼橡胶支座。在使用方案时不难发现，增设墩柱中部系梁会让主桥的纵向刚度与自振频率都得到提升；而且，利用分离双柱形式完成主墩横截面（整体）调整后，其刚度出现明显下降。

3 非线性时程

3.1 模拟边界条件

连续刚构桥的结构地震动反应受到多方面因素影响，其中最具代表性影响有三种：其一是伸缩缝碰撞；其二是滑动支座；其三是钢丝绳摩擦摆支座的非线性性质。基于这三方面因素带来的影响，非线性时程分析环节相关工作人员充分考虑材料的非线性影响，并着重分析边界的非线性影响。钢丝绳摩擦摆支座位于主桥分联墩，钢丝绳处在支座上下钢板之间并存在一定预留变形余量。当发生罕遇地震时，支座将出现位移进而产生能耗，若其位移量达到预设标准则钢丝绳将会拉紧，在水平力作用之下梁体将保持稳定可有效避免落梁。

地震之中，桥梁结构中不同组成部分之间的碰撞反应会严重威胁桥梁稳定性，更会让震害发生的概率以及灾害严重性大增。当前，有关于桥梁碰撞导致震灾的研究较为丰富，国内外学者对这一问题都十分关注，不仅从理论角度阐释问题，还进行了多样化试验来验证和研究桥梁碰撞问题。比如，部分学者基于“Hertz+波动力学”理论，相邻梁之间的碰撞问题加以研究，不仅利用专业理论描述碰撞过程，更通过Kelvin撞击模型做出科学模拟分析。基于上述研究结果发现，分析城市梁桥地震碰撞反应时，可在3×105-6×105kN/m范围内取值，而碰撞恢复系数的建议取值范围则应控制在0.7～0.95。

3.2 地震动输入分析

地震输入分析过程中，相关工作人员可借助于地震安评合成的3条地震波实现非线性时程分析。此时，各相关系数都不超过0.1，各个周期段的实际反应谱值也都与设计情况基本吻合。

3.3 碰撞效应比对

为了更好地完成梁端碰撞效应的分析对比，确保其对非线性抗震结果的影响得到充分呈现，需要进一步探究梁端支座设置钢丝绳支座以及纵向活动支座时，不同情况下同一地震产生过程中梁体的位移以及形成的内力，同时在对比时需要将梁体间隙控制在25cm左右，并将塑性胶区域指定为纤维界面，将材料的非线性特点考虑到位。为此本文将以最典型的碰撞效应进行分析讨论，研究未设置主墩系梁时，各支撑件体系下顺桥向位移以及墩柱弯矩等地震响应的实际规律。

图1是设置钢丝绳摩擦摆支座墩地弯矩图，将图中信息与反应谱标准进行对比，可以发现在出现梁端碰撞时，会有一种明显的下降，而图中的7号墩作为最大弯矩M，比反应谱小34%，这种情况的出现也与前期制作的位移情况具有一致性。7号墩在前期设置时并没有严格的考虑碰撞情况，因此在数据显示中会比常规情况的最大弯矩大89%。虽然有以上情况的出现，但是其整体上还在规范要求的范围内，不会产生其他较大的影响。在发生地震时，若没有充分考虑到防震等工作，则很容易使主墩与其他墩产生位移，导致钢丝绳拉紧，难以保证桥梁的质量，甚至会出现严重的安全事故[4]。

图1 设置钢丝绳摩擦摆支座墩地弯矩

相关部门在前期规划中，应充分考虑碰撞因素的影响。在进行相应的调整之后，则可以降低弯矩值90%，这种降低可以帮助截面更好地适应整体情况，使其处于弹性状态，以此保证整体的安全性以及稳定性。

3.4 设置横系梁后的结果对比

对于连续刚构桥抗震设计来讲，要在计算碰撞情况的基础上，降低墩梁对整体的影响，若限制因素较多，则很容易使钢丝绳失去拉紧功能。由于地震的强度以及形式无法预知，因此当出现特殊地震时，若钢丝绳出现极端拉紧，则会降低边墩的稳定性。本桥对于整体结构来讲非常重要，因此要想进一步增强桥体的质量，就必须在桥体中设置横系梁，横系梁的建设可以使边墩在各种状况下保持弹性，在这种情况下，弯矩会有所提升，主梁的位移将会从常规的57.5cm降低到33.2cm，且可以规避原有结构在极端情况下出现钢丝绳拉紧情况的可能性。与此同时，横系梁的设置可以有效加大内力，提升受压保护层的质量，降低对桥体结构的损坏。而这种情况也可以更好的降低截面出现塑性的概率，以此保证结构的整体质量，增加其稳定性以及安全性。

4 结束语

综上所述，在进行山区高烈度地震区连续刚构桥抗震设计时要优先建立正确的设计思路，确保主墩和边墩的受力较为均衡，充分考虑梁端的碰撞效应，降低主梁的相对位移，实现边墩弯矩的大幅度减少，并在主墩设置横系梁、在边墩设立钢丝绳，用以缩短结构自振周期，强化桥梁的地震力。而在构件选取上则要充分掌握其抗震效果，合理设定刚度参数，确保整体结构满足抗震标准。此外，在实际产生地震时要进一步分析梁体偏转、挡块碰撞产生的不利影响。