高烈度区装配式桥梁抗震计算方法的分析

赵晓燕

（云南航都综合开发有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

经研究发现，我国有79%的国土面积都在Ⅵ度以及以上的地震烈度区域，需要按照现行的桥梁抗震设计规范来对其进行抗震设防，其中有8%的国土面积在Ⅷ度及以上的高地震烈度区域当中，所以说针对于这些地方必须要进行重点的抗震设防。伴随着我国的桥梁抗震设计不断的发展，桥梁抗震设计也开始慢慢的受到了工程师的重视，面对着大量需要进行抗震设计的桥梁工程来说，选择更加合理的抗震方法来对整个工程进行分析就显得格外重要。

1 高烈度区的桥梁震害分析

高烈度区因为自身的地形以及地质条件都是比较恶劣的，所以说很容易就会发生地震等一系列的灾害，从而在对于桥梁的设计的时候也提出了更加高的要求。因此在对于高烈度区的桥梁进行，设计师首先就应该考虑到桥梁的结构抗震性能，并且针对于桥梁的设计做出一个更加宏观的调控。首先应该分析已经建成了的桥梁的具体抗震设计原理以及针对于其抗震能力进行计算，总结各个桥梁各自的优势，从而建立一个正确的抗震计算方法[1]。总的来说，桥梁的震害从上到下依次可以体现为3个方面的内容，分别是主梁的震害、支座的震害以及桥墩的震害。

1.1 主梁震害

在高烈度区地震对于桥梁主梁的震害主要可以体现为3个方面：①顺桥向位移。②横桥向位移。③平面旋转。这3种现象的主要的原因是由于墩台顶处的支撑面比较窄小，没有能够提供一个非常可靠的约束装置，为了能够尽可能的避免出现主梁震害的情况，减轻主梁震害的程度，针对于高烈度区的桥梁进行设计的时候，应该尽量的加强整体的连接性，而这种连接也应该使用带上下钢板的橡胶支座。

1.2 支座震害

导致支座出现震害的主要原因包括4个方面：①部分大桥的支座形式存在着一定的设计缺陷。②制作支座的材料其实本身存在着一定的质量问题，在制作初期没有能够把控好进场材料的质量，所以在后期使用过程当中也会存在着安全问题。③在为桥梁进行支座选取时，并没有充分考虑支座的具体抗震需求，没有跟周边的环境进行有机融合。④支座的连接以及支挡等的构造措施存在着不足点，因为以上的这些原因，所以导致支座出现了震害的情况，支座震害的主要形式则可以分成5个方面，分别为支座的移位、锚固螺栓被拔出、支座被剪断、活动支座脱落和支座的自身构造遭到了破坏。所以为了有效避免上述情况的发生，在针对支座进行设计以及制作的时候，应该针对于支座的锚栓以及防震板等进行相关的研究，使其具备足够的抗震强度。

1.3 桥墩震害

桥墩是一座桥梁的主要支撑，同样也是桥梁一个非常重要的构件，对于桥梁能够起到稳定的作用，桥墩的震害主要可以体现为两个方面，分别是剪切的破坏以及弯曲的破坏。而导致出现这两方面破坏的主要原因是桥墩抗碱强度不足或墩筋配置不足。为了有效减轻桥墩的震害程度，桥梁的设计者应该针对整体的桥梁设计进行明确的计算，并且计算出地震力的具体传递路径，在最大程度上来有效地避免出现震害的情况。

2 桥梁抗震设计的主要原则

在桥梁的抗震设计当中，针对于桥梁的各个部分要求应该随着每一个工程的具体情况而变化，但是总的角度就是高规格的结构强度以及高规格的桥体延性。针对于地震的时候对于桥梁所造成的结构震动产生的影响，在抗震设计当中应该尽量的将桥梁的地基传入桥梁结构的振动能量削弱到最低，减少其对于桥梁所产生的伤害，同时也应该确保桥梁的设计具有相应的强度以及刚度，只有这样才能避免出现严重的破坏。

从桥梁的总体强度以及其延性这两个角度出发，在不增加桥梁的重量、不降低其刚度的条件下，提升桥梁整体抗震性能是非常的有必要的。这是因为在地震的过程中，当地层的震动传递到桥梁时会导致桥梁的结构产生周期性反复变形。在桥梁抗震设计的过程当中，应该结合各个构件的强度的不同来构建桥梁在地震时的整体性形式反应，确保桥梁不会出现脆性破坏，从而保证其良好的抗震性能。我国的桥梁的抗震设计过程当中，基本上都是遵守强柱弱梁，强剪弱弯以及强节点弱构件的主要设计思想，通过不同的构件之间的强度区别，就可以最大限度确保桥梁地震时具备非常好的抗性。

3 实例研究：高烈度区装配式桥梁抗震强度的计算

3.1 项目背景

东川区隶属云南省昆明市，东邻会泽，南接寻甸，西连禄劝，北与四川省会东县隔金沙江相望，距离昆明市区150km，素有“铁胆石之乡”和“天南铜都”的美誉。东川作为云南省四个资源枯竭型城市（东川、个旧、开远、宣威）之一，为工矿型城市，在新的发展时期，应该以延伸矿产品深加工链，提高资源附加价值，同时鼓励其他非矿产业的发展，从而培育新的经济增长点。

东川作为“资源型城市转型”与“西部大开发”两大战略东西互动的交织点，当前的形势对其今后的发展极为有利，并已引起国内经济界的关注，同时也可能得到高层领导的注意。这为推动东川的改革与发展提供了非常难得的机遇。

随着东川“五路一桥”规划及滇中城市群的发展，东川区在内外因驱动下，势必将成为出滇入川的重要交通枢纽，以发展工业产业、旅游产业为主的昆明北部次区域中心。近年来，加快城区改造和新区建设是促进经济发展，加快和谐社会建设步伐的一项主要工作。以此推进城市北扩步伐，加快城镇化建设进程。道路建成后，城市的道路网络将更加完善，城市的功能将更加配套，城市品位将有很大的提高，有利于城乡规划进一步完善，城镇建设蓬勃发展，城乡建设管理进一步完善。

3.2 项目定位

本次施工图设计的范围如下：东川区金沙路建设项目，起点接现状集义路，从南向北延伸，与七条规划道路分别平面相交后，止于机电职业技术学院东侧现状道路。道路全长1.604km，双向4车道，路幅宽度30m，设计速度40km/h，为城市主干道。

东川区金沙路建设项目于K0+328处设置桥梁一座，金沙路大桥左幅起点号K0+143、止点桩号K0+513，桥梁全长370m；右幅起点桩号K0+113、止点桩号K0+483，桥梁全长370m。

3.3 工程概况

金沙路大桥采用预应力混凝土简支小箱梁，桥面连续；左右幅采用非对称布置，左右幅跨径组合均为3×30m+3×30m+3×30m+3×30m；桥梁中心桩号：K0+328，左幅起点桩号K0+143，终点桩号K0+513，全长370m；右幅起点桩号K0+113，终点桩号K0+483，全长370m；本桥平面分别位于直线（起始桩号：K0+113，终止桩号：K0+245.054）、缓和曲线（起始桩号：K0+245.054，终止桩号：K0+295.054，参数A：173.205，左偏）和圆曲线（起始桩号：K0+295.054，终止桩号：K0+513，半径：600m，左偏）上，桥面横坡为双向1.5%，纵断面纵坡2.4%；墩台径向布置。

上部结构采用预应力混凝土（后张）简支小箱梁，桥面连续；下部结构桥台采用重力式桥台、承台桩基础，桥墩采用矩形盖梁柱式墩接承台桩基础。

桥面布置：2.5m（人行道）+10m（车行道）+0.5m（防撞护栏）+1m（中分带）+0.5m（防撞护栏）+10m（车行道）+2.5m（人行道）＝27m。

3.4 桥梁的设计标准

金沙路大桥的车辆荷载为城-A级，其人群荷载需要按照城市桥梁设计规范来进行取值，整体的地震设防裂度设为九度，其地震加速度值是0.40g，桥梁的设计基准期为100年，整体的安全等级是Ⅰ级。

3.5 桥梁的技术以及特点分析

金沙路大桥所在位置地震基本烈度是Ⅸ度，建筑场地为二类，桥梁的最大墩高是34m，属于非常少见的一种高烈度区非规则的桥梁，对于地震的抗震设计要求会非常的高。在通过针对于整体的桥梁结构进行了初步的抗震设计分析之后，发现E2地震下桥梁底部的最大弯距能够达到1.05×105kN·Mn，无法满足E2地震作用下结构承载力以及位移的相关要求，单纯的增加桥墩尺寸，很明显是不经济也不提倡手段，所以说有必要采取其他的一些方法。

总的来说，针对于金沙路大桥进行设计的过程当中，思路就是需要采用减隔震支座或者是全桥一联。因为本桥的桥墩是比较高的，而且整体的桥墩柔度会比较大，主梁跟桥墩可以使用墩梁固结这样的形式。地震的作用影响下，每一联的结构都能够做到整体受力，所以说使用减隔震支座在本次工程当中是非常不合适的，而全桥一联也很难真正的满足支座不均匀沉降以及温度作用等一系列受力要求。综上所述，本次桥梁施工当中所使用的是新材料屈曲约束支撑来对其进行抗震设计。

3.6 技术创新

屈曲约束支撑指的就是由芯材、约束芯材屈曲的套筒和位于芯材以及套筒之间的无粘结材料，包括填充材料来共同构成的。它能够做到承受拉以及压的力量，属于一种结构性的构件，可以使用在消能减震当中。芯材由屈服段，过渡段以及连接段共同构成，屈曲约束支撑已经成为我们国内在进行抗震减灾过程当中使用的一种新型的技术，主要可以使用在结构抗震设计当中，具有着安装方便而且设计灵活等一系列的特点，而且使用这样的方法是不会影响到建筑的整体美观以及整体应用的。

在本次桥梁的设计当中，通过使用midas，针对整体的结构计算进行了对比以及分析，和不设置屈服约束支撑相比，E2地震下蹲的弯距减小了约30%，从而可以减少下半部分结构的工程量，增强整体的结构抗震性能。

3.7 屈服约束支撑在东起路大桥当中的具体应用

金沙路大桥所处的位置的基本烈度是Ⅸ度，站在抗震设计的角度上面来看，希望全桥能够作为一个整体受力，也就是九孔一联，但是基础为摩擦桩，而且整体全桥的长度为327m，因为出现了不均匀的沉降的影响，结果很难真正的满足于受力要求。在该桥梁当中，一共分为两联，在0号台，5号墩以及9号台的位置设置了屈曲约束支撑，使整个组合可以满足于受力要求，同时在地震的作用影响下，让桥梁变成一个整体受力，这样是具有耗能作用的，由此便可以看出屈曲约束支撑可以有效的改善地震作用下的桥梁的受力状态，增加桥梁的抗震性能，因此可以有效的减少桥梁的下部结构工程量，具有着非常明显的经济效益。一般来说，高烈度地区的桥梁在进行设计的时候，如果只是使用常规的结构，很难真正的满足于抗震的设计需求，本次所研究产品的意义不仅在于节省了整体的工程量，同时也能够让常规结构可以真正的满足于高烈度区的抗震需求，所以说就有着非常广泛的应用前景。

3.8 桥梁的抗震计算方法

经研究发现，规则桥梁以及非规则桥梁的地震响应有着非常大的不同点，在进行抗震设计的时候，我们首先需要判断桥梁的规则性，依据《公路桥梁抗震设计细则》来针对其进行研究[2]。在进行设计的时候，一定要保证其承载力能够满足于要求，地震动输入方向对于整体的桥梁破坏就有着非常明显的方向性，本次所研究的桥梁是直线桥梁，在设计的时候，一般来说是顺桥向控制设计，所以说在进行抗震计算的时候，可以使用顺桥向抗震计算。通过针对于桥梁的性能的判断，利用反应谱方法来对其进行抗震分析。

利用反应谱来对桥梁的抗震进行分析的时候，我们首先需要确定好结构的计算简图，然后再通过动力学的分析，求出结构的基本周期以及相应的震型，这样就能够有效的确定其地震力[3]。板式橡胶支座的连接上下部分结构以及桥墩受到了上部结构的约束，支座会因为地震程度的不同而产生不同程度的破坏，除此之外梁也会出现纵横向的位移，所以说在本篇文章当中倡导的就是利用屈曲约束支撑来有效的改善桥梁结构的受力状态。

4 结语

综上所述，我国Ⅵ度以及以上地震烈度区域能够达到国土总面积的79%，Ⅷ度及以上的高地震烈度区域能够达到8%，这类区域往往对于桥梁的抗震设计会提出更加高的要求，而为了能够确保装配式的桥梁可以在高地震力度区域抗震设计质量达标，围绕高烈度区装配式桥梁的抗震进行计算是非常有必要的。在本篇文章当中以实际工程对其进行了研究，希望能够为相关工程提供一定的帮助。