桥梁抗震设计理论的发展，公路桥梁结构抗震设计研究
桥梁抗震设计理论的发展，公路桥梁结构抗震设计研究表1 抗震设计控制计算单元 公路桥梁结构抗震计算单位主要是以伸缩缝或结构特点作为分割界限 本次便利用该种方法把桥梁工程划分为数个结构。但在抗震设计过程中 无需针对全部单元进行抗震性能分析 充分联系实际设计要求 选择几个抗震薄弱区段进行设计即可 所选的单元应该能够体现桥梁真实的受力状况。如表1为本项目公路桥梁结构设计中的抗震性能控制计算单元。本次所选工程实例处于地震断裂带 桥址处抗震等级相对较高 在进行公路桥梁结构设计过程中 应该针对结构抗震性能进行准确计算 并进行优化设计。该项公路工程中的桥梁跨径相差较大 下部结构各个桥墩之间存在较大的刚度差 因此在桥梁结构的设计过程中 应准确选取抗震参数 并按照最不利工况进行结构计算和设计 桥梁抗震设计工作具体包含结构设计、抗震措施、抗震计算和抗震设计等内容[2]。本项工程中进行的抗震设计主要是以公路桥梁结构相关抗震设计规范为基础依据 参考设计细则中的相
赵继栋青海省交通规划设计研究院有限公司摘 要：抗震性能是桥梁的关键性能之一 抗震设计和公路桥梁结构安全存在密切联系 抗震性能的设计实际上是一个总体设计思想。本文以中小跨径的公路桥梁为研究对象 根据不同桥梁的工程概况 介绍并总结了公路桥梁的结构抗震设计 包括计算单元的选取、桩基础和墩柱抗震设计、抗震设计要点和提升抗震性能的方法 目的是提升公路桥梁结构的抗震性能 延长公路桥梁使用寿命。
关键词：公路桥梁;结构抗震;结构计算;抗震性能;
作者简介：赵继栋(1990-) 男 工程师 主要研究方向:桥梁设计、桥梁抗震研究。;
引言在公路桥梁结构设计的过程中 需要注重桥梁结构的安全性、稳定性和可靠性 尤其是在地震区的桥梁建设 更应注重提高公路桥梁结构的整体性和安全性 避免结构在受到地震作用时 产生较大的破坏 进而引发安全事故[1]。为此需要针对公路桥梁结构进行合理的抗震设计 保证其在地震发生后依然能够保持稳定状态 降低地震来临时对公路桥梁安全的影响。
1 工程概况本次所选工程实例处于地震断裂带 桥址处抗震等级相对较高 在进行公路桥梁结构设计过程中 应该针对结构抗震性能进行准确计算 并进行优化设计。该项公路工程中的桥梁跨径相差较大 下部结构各个桥墩之间存在较大的刚度差 因此在桥梁结构的设计过程中 应准确选取抗震参数 并按照最不利工况进行结构计算和设计 桥梁抗震设计工作具体包含结构设计、抗震措施、抗震计算和抗震设计等内容[2]。
2 选取计算结构2.1 计算方法本项工程中进行的抗震设计主要是以公路桥梁结构相关抗震设计规范为基础依据 参考设计细则中的相关条文 对公路桥梁结构横桥向和顺桥向分别进行抗震计算分析 该桥梁上部结构为连续梁 中间墩柱与上部结构选择盆式固定支座 剩下的墩柱选择双向和单向盆式支座形式进行设计。因此 在桥梁结构受到地震作用时 顺桥向的地震力主要集中在固定支座 而横桥向产生的地震力会分散到各个墩柱上。
2.2桥址处地震动参数的选取该公路桥梁结构设计中的相关地震动参数如下:场地系数1.2、地震动反应谱特征周期0.55s、区划图中的特征周期为0.4s、场地类型是Ⅲ类、该桥位处地震峰值加速度为0.2g、地震环境中抗震重要性系数为0.43、抗震设防烈度为8度[3]。
2.3结构选择公路桥梁结构抗震计算单位主要是以伸缩缝或结构特点作为分割界限 本次便利用该种方法把桥梁工程划分为数个结构。但在抗震设计过程中 无需针对全部单元进行抗震性能分析 充分联系实际设计要求 选择几个抗震薄弱区段进行设计即可 所选的单元应该能够体现桥梁真实的受力状况。如表1为本项目公路桥梁结构设计中的抗震性能控制计算单元。
表1 抗震设计控制计算单元
表1 抗震设计控制计算单元
划分单元时 需要重点结合桥梁的墩高、最大跨径、桥梁全长、桥梁宽度等进行综合考虑。因为在桥梁的实际抗震设计中 上述几种因素都会影响质量及刚度 进而对桥梁的抗震性能产生影响。因此 在实际抗震计算及设计中 为了使整个计算过程得以简化 可以选择其中影响最大的因素进行考量 明确桥梁墩柱实际尺寸 并将其作为基础参考 联系其他因素 对墩柱横截面进行设计。为了提高桥梁上部结构和墩柱整体协调性 本项工程项目中主要将桥宽度当成基础依据 在桥宽一定的情况下 最大联长决定了顺桥向的最大地震作用力 最大桥梁跨径决定了横桥向的最大地震作用力。
3 结构抗震设计在研究公路桥梁结构抗震性能的过程中 可以将下部结构单独作为研究对象 运用反应谱法相关计算公式 对具体参数实施准确计算。通过抗震计算 得出顺桥向支座处的地震作用力以及横桥向对于桥梁上部结构所产生的地震作用力。然后根据具体计算 得到相应地震力条件下桥梁整体水平位移和基础顶面所产生的水平位移。并通过相应的计算 得到顺桥向与横桥向的包含地震效益的组合效应 进而根据桥梁受压部件在相应的规范下强度 对桥梁墩柱的纵筋配置进行设计[4]。公路桥梁结构下部结构设计中 通常选择在地质情况较好的位置作为地基基础 针对下部桥台结构需要尽量选择T型结构或U型结构 如此能够促进公路桥梁结构整体稳定性的有效提升。如果桥址处施工条件比较好 还可以通过选择重力式桥台 该种桥台形式抗震能力与其他形式桥台相比 抗震性能更为突出 且施工成本相对较低 施工流程便捷 工程经济效益良好。上下部连接构件也是地震作用时整个公路桥梁结构内最容易被破坏的部位 因此需要加强该部分的强度设计。伸缩缝和支座都属于连接构件 若选择伸缩缝形式 应该提升伸缩缝变形能力 以免在地震过程中破坏。
桥墩墩柱底部截面存在塑性铰区域 结合地震所产生的作用力并通过顺桥向和横桥向所形成的极限弯曲值 能够对墩柱配筋进行准确计算 其中需要重点关注的是构件的最不利轴力以及材料强度等[5]。将轴力值、剪力和极限弯曲值进行相应组合 可以得到最不利效应组合 在该最不利受力状态下 要求使桩基础始终维持弹性状态 并且还应该根据相应的设计规范计算桩基承载能力 确定合理桩径、桩长以及配筋率 确保桩的承受能力控制在安全范围内[6]。
对桩基础的设计过程中 应该综合考虑各种因素。其中最为重要的是极限弯矩值 通过极限弯矩值能够进一步确定桩基础尺寸和配筋数量 同时还可以根据相应的剪力值对桩基的有效长度进行计算。针对桩顶轴力值进行设计计算过程中 需综合考虑跨径、孔数以及桥梁宽度、桩径等因素。在本次设计过程中 选择较为简单的方式进行计算 通过关键因素假定法实施计算 从而得到最佳的桥梁结构。在桩基设计时 最为重要的内容便是计算竖向承载力。结合有效计算能够得到此次的下部结构形式如下:桥的整体宽度为17m或13m条件下 下部结构应该按照三桩柱式及以上为基础形式。桥宽度为8m或9.5m的条件下 可以设计为双桩柱式结构。选定下部结构形式后 应该通过剪力值和轴力值对下部结构进行验算 保证墩柱强度能够满足规范要求。
5 抗震设计要点公路桥梁结构抗震设计中需要重视以下内容:第一是选择最佳的墩柱截面设计 墩柱截面过小 会降低墩柱强度 从而不能满足公路桥梁结构的抗震性能要求;墩柱截面过大 便会产生墩柱结构承载力超标的问题 使桥梁整个基础构建尺寸过大。第二是对固定支座墩柱进行选择的过程中 通常不会挑选矮墩结构形式 由于矮墩整体刚性相对较好 会对整个桥梁抗震性产生不良影响[7]。第三是桥柱之间和边梁两端需要维持充足缝隙 避免在产生地震问题时 形成落梁现象。第四是在桥墩的上部位置通常会安装几种钢混结构限位块 避免在出现地震问题时形成横线位移。第五是桥台背墙和梁段之间需添加设置胶块 通过该种方法能够帮助对水平地震力形成缓冲 减少压力。第六是此次公路桥梁结构设计中主要选择了抗震性能较好的橡胶盆式底部支座 通过这一支座可以有效强化桥梁整体抗震性能 针对墩柱顶部尺寸实施计算过程中 应该合理控制支座尺寸 使其低于墩顶尺寸。
6 提升结构抗震性能的具体方法公路桥梁结构相关抗震性能设计需要从整个桥梁设计过程中体现出来 一旦明确具体的桥梁设计方案 便需针对抗震性能进行重点设计 并结合抗震计算和验算工作设计最优的结构形式。
6.1 通过对桥梁结构进行强度设计提高抗震性能通过对桥梁结构进行强度设计提高其抗震性能是目前公路工程中中小跨径桥梁常用的抗震设计方法之一。在进行桥梁结构设计时 通过对桥梁结构形式、尺寸、配筋等方面的设计 使桥梁在受到地震作用时保持结构完整性及弹性工作状态 使桥梁结构不被破坏 从而能够较好的提高桥梁抗震性能。但是在实际桥梁设计过程中 由于桥址处地质结构稳定性有好有坏 使得桥梁结构强度设计方法在运用过程中的效果差异较大[8]。对于抗震设防烈度较大的地区 应用强度设计提高桥梁结构抗震性能时 抗震设计不易操作 震后对结构进行修复较为困难。
6.2 利用材料的延性来调高桥梁结构抗震性能对于公路桥梁 在强震作用下桥梁下部结构墩柱柱底截面会产生塑性铰 即墩底截面破坏 吸收能量 从而保护桥梁上部结构及其他部位。因此 在进行桥梁设计时 延性设计也是较为常用的方法 尤其是针对高墩大跨桥梁 该方法具有显著效果。该方法的优点是可以在设计过程中预期桥梁结构的破坏形态和破坏部位[9] 但地震过后对破坏部位进行修复较为困难 且不一定能达到预期效果。
6.3 利用减隔震装置提升公路桥梁结构整体抗震性能设置减隔震装置是目前应用越来越广泛的隔震措施及典型的抗震方法。近年来 我国逐渐在各类桥梁结构中应用间隔震装置来提高桥梁的抗震性能 尤其是在大跨径斜拉桥、悬索桥中采用隔震支座、阻尼器等[10]。利用该种方法可以促进公路桥梁结构阻尼和柔性的有效提升 减少地震对于桥梁所产生的作用。隔震支座在实际应用中拥有较高的抗震性能 在提高公路桥梁结构抗震性能时 除了设置隔震支座这一方法之外 同时还可以通过不断优化提升阻尼消耗能量来实现。若能够将两种装置结合起来 可大幅提高桥梁抗震性能。减震装置以及隔震支座可以进一步扩大地震作用影响下公路桥梁结构的塑性变形 减少桥梁结构所受到的损害 提升桥梁整体抗震性能[11]。但公路工程中 中小跨径桥梁较多 采用减隔震装置会增加工程造价。
7 结语综上所述 公路桥梁结构设计中 为了提高结构的整体性 应该重点考虑桥梁结构的功能性、安全性与可靠性。为此在进行结构的抗震设计过程中 需要针对地震所能造成的不利影响进行准确预测 对桥梁的地震反应进行计算 从各种环节入手 采用合理的抗震设计理念 针对桥梁结构进行合理抗震设计 确保桥梁结构在受到地震作用时依然可以保持良好的稳定状态。
参考文献[1] 赵雪萍.现阶段公路桥梁设计及其抗震优化研究[J].工程建设与设计 2018(1):123-124.
[2] 延焱 张永强.公路桥梁基于概率的实用抗震性能设计框架[J].工程建设与设计 2018(23):125-127.
[3] 陈嵘.水平和竖向地震耦合作用下混凝土梁桥桥墩抗震性能试验研究[D].北京:北京交通大学 2019.
[4] 李建中 管仲国.基于性能桥梁抗震设计理论发展[J].工程力学 2011 12(增刊Ⅱ):24-30.
[5] 刘健新 赵国辉 李加武.汶川地震及中国公路桥梁抗震设计规范的变迁[J].交通科学与工程 2009 25(1):21-25.
[6] 林建茂.钢管混凝土格构式高墩连续梁桥抗震性能及抗震设计研究[D].福州:福建工程学院 2018.
[7] 王克海 韦韩 李茜 等.中小跨径公路桥梁抗震设计理念[J].土木工程学报 2012 45(9):115-121.
[8] 习强.桥梁抗震设计及间隔震技术应用[J].交通世界 2018(12):108-109.
[9] 李建中 管仲国.桥梁抗震设计理论发展:从结构抗震减震到震后可恢复设计[J].中国公路学报 2017 30(12):1-9.
[10] 赵继栋.高墩大跨连续刚构桥施工控制及地震反应分析[D].兰州:兰州交通大学 2016.
[11] 石岩 李军 秦洪果 等.减隔震桥梁设计方法及抗震性能研究综述[J].地震工程学报 2019 41(5):1121-1132.
