基于双圆柱墩桥梁抗震设计思路分析

2022-09-28邓英

运输经理世界 2022年24期

关键词：谱法桥墩圆柱

邓英

（江西省交通设计研究院有限责任公司，江西南昌 330052）

0 引言

在桥梁设计环节，桥墩抗震设计非常关键。因为桥墩抗震设计的水平关系到桥梁运行的安全性和稳定性，所以需要积极总结经验教训，掌握抗震设计方法，提高设计水平。

同时，在桥墩设计阶段，要根据桥梁现场的实际情况，确定合适的抗震设计方案，选择合适的抗震系数，达到抗震设防的要求，进而提升桥梁抗震设计的效果，满足桥梁的运行需要。

1 抗震设计要求

桥梁是交通基础设施的重要结构形式，如果发生损坏，会对人们的日常出行产生较大的影响，还会引发严重的安全问题，对于社会的稳定与发展都会产生较大的影响。基于此，在桥梁设计中，必须从实际出发，了解抗震结构，提高设计水平。

其一，在桥梁抗震设计前，设计人员要对桥梁的抗震结构有足够的了解，为确定设计方案提供基础条件。桥梁是极为重要的交通基础设施，抗震设计是保证桥梁运行安全、稳定的关键，所以选择合适的抗震系数极为重要，通过精确的抗震系数确保桥梁运行的安全性和稳定性。

其二，桥墩抗震设计的目的是保证地震不会对桥梁造成较大的损坏。所以需要选择正确的设计理念，根据需要构建完整的桥梁结构，重视各个细节部分，保证刚度以及强度都满足要求。同时，在设计环节，利用抗震措施使桥墩的强度与刚度处于最佳状态，优化结构参数组合。

其三，根据以往的工作经验，对于桥梁运行情况进行统计分析，发现很多桥梁在投入使用后会出现开裂、混凝土剥落等问题，严重者会出现钢筋裸露的情况，所以要加强抗震设计，为今后工程的顺利实施提供参考[1]。

2 桥墩结构的震害研究

2.1 原因

地震是非常严重的地质灾害，对于人们的生命安全造成巨大的威胁，极大地威胁桥梁运行的安全性和稳定性。

双圆柱墩桥梁结构震害分为桥梁结构振动和场地位移引起的结构严重变形两种形式。

第一种是指受到场地运动的影响，在惯性作用下会使地震直接作用到刚性结构上，桥梁振动发生严重的损坏。

第二种是指在场地位移下通过支点强制变形产生的超静定内力，进而导致桥梁结构变形。地震发生后，双圆柱墩桥梁会发生不同程度的损害，安全性难以达到标准要求，如桥墩开裂、倾斜等。因为在不同等级、不同部位上发生的地震情况有差异，所以对桥梁产生的影响也会有很大差异。很多地震作用下的桥梁都会发生位移变化，对各个节点会产生很大的影响，节点的承载力、角度等都会发生变化，桥梁本身的各个结构也会发生相互碰撞的情况，最终造成某个部位上出现隆起变形的情况。地震发生后，因为桥梁地基周边发生变化，双圆柱墩桥梁内部也会产生相对位移，从而导致桥梁落梁。

与此同时，支座与桥墩的弯曲也是比较常见的桥梁震害问题，极大地影响桥梁运行的安全性。因此，在桥梁设计环节，要从多个角度出发，全方位地展开分析，优化桥梁抗震设计，提高桥梁的安全性，为桥梁的稳定运行奠定基础[2]。

2.2 表现形式

2.2.1 桥台

在双圆柱墩桥梁设计时，抗震系数如果超过梁体自身的承受压力，会发生桥台震害的问题。具体的表现形式是桥台与路基同时发生位移，导致桥台倾斜、开裂，底部结构下沉、转动。与此同时，桥台表面会发生开裂，裂缝会随着地震的强度而发生变化。开裂后，桥台与主梁会发生碰撞，桥台滑移与倾斜导致结构自身压力增大的情况，损害主梁的结构。这种情况比较常见，产生的危害也非常严重。因此，在桥梁的设计环节，还要分析地震发生的特点，改进设计方案，提高设计水平和效果。

2.2.2 桩墩

桩墩受到地震的作用后，容易产生倾斜、开裂的病害问题，导致桥墩下部钢筋笼变形，表层混凝土结构发生崩裂。倾斜病害包含单向与八字开裂，是各个桩基连接发生偏差造成的。

2.2.3 支座

支座结构的损坏以倾斜、开裂的问题为主。固定支座的螺栓会产生倾斜、压碎等严重的问题，结构的稳定性会降低。此类问题的产生与下部混凝土被压碎有关，特别是发生脱落、位移后，结构作用力较大，损坏也会更加严重，对于其他结构也会产生较大的震害影响。如果在设计中并未重视这一问题，震害会影响道路交通的安全性。

3 我国抗震设防的标准

目前，在我国的桥梁抗震设计中有非常明确的标准和要求，遵循国家规范和标准，把经济与技术的理念融合起来，达到科学设计的要求。在桥梁设计时，设计人员需要对双圆柱墩桥梁的特点有足够的了解，并且合理进行分类，以确定最佳的设计方案。但是，从我国桥梁设计的实际情况分析，地震标准比较低，应用效果也比较差，所以，目前使用的桥梁设计方案对地震的反应规律了解不足，抗震设计理念与方法存在一定的偏差。在桥梁抗震设计环节，应积极学习国外先进的设计理念，切实满足我国桥梁运行的抗震性能标准，并且不断地创新设计理念和方法，最终达到预期的设计效果，满足道路桥梁的使用需要，带动我国桥梁事业的高速发展[3]。

4 双圆柱墩桥梁抗震设计与设防措施

4.1 静力法

静力法是一种比较普遍应用的抗震设计理念，是早期应用的方式。静力主要是指桥梁结构质量与地震加速度相乘形成的惯性力，是作用在桥梁上的外力，按照该参数进行抗震设计。对于桥梁设计来说，静力法操作更加简单，应用范围比较广，使用难度相对较低。静力法基于桥梁结构的各个部分在地震时不会发生位移变形，且结构具有巨大的刚度，忽略了地震中桥梁结构的动力特性。所以，用静力法设计桥梁容易发生数据计算错误，影响桥梁的安全性。但是静力法可以为桥梁设计提供基础，并且延伸出震度法，提高抗震设计水平，达到正常使用的要求。

4.2 反应谱法

如果在抗震设计中没有考虑到动力特性，必然会使得结构损坏严重，威胁桥梁运行的安全性。在反应谱法理念之下，通过对反应谱法不断的研发和应用提升设计效果。一般来说，桥梁结构受到多个方向地震的共同作用，其结构受力比较特殊，也比较复杂。而应用反应谱法进行抗震设计，就可以将多个方向的作用力共同考虑，确定最佳的设计方案。当前，我国的桥梁抗震设计通过合理应用经验法，把不同方向的地震组合起来，利用反应谱法准确分析桥梁各个结构的作用静力。这种方法设计方案简单，理解难度也比较小，设计、计算更加方便，结果更加准确。但是也要注意，反应谱法还存在着一定的缺陷，具体如下：

其一，反应谱法只有应用在双圆柱墩桥处于弹性状态下，才能提高双圆柱墩桥梁的稳定性，而在其他情况不能满足设计的需要。

其二，反应谱法并不能精准地计算出地震作用后的真实反应过程，只能计算出地震对桥梁作用反应的最大值。

其三，桥梁受到地震的影响一般是多方向的，作用力也多样化，如果使用反应谱法进行设计，容易忽略某个地震的作用力，也会威胁到桥梁的安全性。

4.3 时程分析法

在桥梁抗震设计中，应用时程分析法，将符合实际需要的地震加速度参数输入系统内，通过多节点度、多自由结构模型形成振动方程，并且利用逐步积分的方式获得最终参数，进而可以得到各个时间点的地震作用力参数值，分析桥梁从开裂到损坏的各个结构的受力状态，进而可以掌握相关的参数。从目前桥梁抗震设计的实际需要分析，时程分析法要比反应谱法更加精准，但是在分析时，数据计算较为复杂，地震加速度输入具有不确定性，且会耗费较多的时间，还必须辅助以反应谱法，才能形成完善的设计方案[4]。

4.4 功率谱法

在桥梁抗震设计中，应用功率谱法，考虑的是地震在某个时间段内随机出现的情况，通过平稳功率谱密度函数展开数据计算，以掌握地震运动的状态。应用功率谱法时，是利用地震加速度平稳功率谱展开计算分析，以掌握地震作用力的情况，从而可以根据双圆柱墩桥梁平稳功率谱方法与密度函数计算，合理地应用方程与函数，即可掌握地震对桥梁的作用，然后确定合理的设计参数，计算确定最大位移值。较之反应谱法来说，功率谱法的优势是确定各个节点发生地震后的不同运动方式，缺点是不能应用到结构非线性分析中。

5 Pushover 方法在双圆柱墩桥梁抗震设计中的应用

5.1 Pushover 方法的原理

Pushover 方法是目前双圆柱墩桥梁抗震设计的重要方法，具备较高的先进性，在具体的使用时，分析结构抗震性能，属于非线性的方法。该方法的原理是根据桥梁工程实际情况，在结构分析模型上施加外部作用力，然后按照发展变化的规律，在模型中施加递增的侧向荷载，进而可以将双圆柱墩桥梁从弹性状态转化为塑性状态，在这种情况下，结构分析模型控制点位移也会随着时间的推移而加大，直到最终控制点位移达到既定目标。在Pushover 方法应用后，按照已经获取的目标位移了解运行状态，了解各个结构的影响情况，从而提高桥梁的抗震设计水平。

5.2 Pushover 方法的假设

在现代社会，人们对于生命安全的重视度不断提高，所以对桥梁抗震设计的重视度不断提高，Pushover 方法被广泛应用，尤其是在双圆柱墩桥梁抗震设计中应用，可以产生非常好的效果。但是就目前应用效果来看，Pushover 方法的理论基础还有一定的不足，造成应用范围受到限制。在Pushover 方法应用时，要做出如下假设：

其一，双圆柱墩桥梁第一振型会对地震反应产生影响。

其二，双圆柱墩桥梁受到地震影响而发生高度上的变形，需要在地震发生后，用不变的形状向量表示。在应用Pushover 后，结合上述假设开展抗震设计，将多自由度结构转换为单自由度结构。分析结构设计方案，很多桥梁工程都会在第一振型快速地确定双圆柱墩桥梁受到地震作用的影响。因此，在确定的假定范围内，利用Pushover 展开地震设计是合理的。