關於高墩大跨徑連續鋼構橋樑結構抗震設計分析論文
關於高墩大跨徑連續鋼構橋樑結構抗震設計分析論文
摘 要：隨著我國交通事業的發展，高墩大跨徑連續鋼構橋樑在交通道路建設中運用的越來越多，尤其是我國西南、西北地區，盤山公路等已經不能滿足經濟發展需要。但由於地形較為複雜，在道路建設中多采用橋樑，再加上山區為地震多發地帶，因而對橋樑設計要求極為嚴格。高墩大跨徑連續鋼構橋樑結構的設計具有良好抗震能力，分析其抗震設計，對於其完善與發展具有重要意義。
關鍵詞：高墩；大跨徑：連續鋼構梁；抗震設計
1 高墩大跨徑連續鋼構橋簡介
鋼構橋結構較為特殊，是將墩臺與主樑整體固結。其承擔豎向荷載時，主樑透過產生負彎矩減少跨中正彎矩。橋墩作為鋼構橋的主體部分，主要承擔水平推力、壓力以及彎矩三種力。墩梁固結形式較為特殊，可透過節省抗震支座減少橋墩厚度，藉助懸臂施工從而省去體系轉換，減少了施工工序。該結構可保持連續梁無伸縮縫，使行車平順。此外還具有無需設定支座和體系轉換功能，橋樑結構在順橋向和橫橋向分別具有抗彎和抗扭剛度，為施工提供具有便利。高墩大跨徑連續鋼構橋形式優缺點並存，其缺點在於受混凝土收縮、墩臺沉陷等因素影響，結構中可產生附加內力。作為高柔性墩，可允許其上部存在橫向變位。其優點在於弱化墩臺沉降所產生的內力，並減輕其對結構的影響。
其突出受力結構表現為橋墩與橋樑固結為整體，透過共同承受荷載進而較少負彎矩；該橋樑結構受力合理，抗震與抗扭能力強，具有整體性好，橋型流暢等優點。作為高柔性橋墩，可允許橋墩縱橫向存在合理變位。
2 橋樑震害的具體表現
2.1 支座
在地震中支座損壞極為常見，支座遭到破壞後能夠改變力的傳遞，進而影響橋樑其它結構的抗震能力，其主要破壞形式有移位、剪斷以及支座脫落等。
2.2 上部結構
上部結構遭受震害主要是移位，即縱向、橫向發生移位。移位部位通常位於伸縮縫處，具體表現為梁間開脫、落梁、頂撞等。有資料顯示，順橋向落梁在總數中所佔比例高達90%，由於這種落梁方式會撞擊到橋墩側壁，對下部結構造成巨大沖擊力，因而破壞力極大。
2.3 下部結構
橋樑的下部包含基礎、橋墩以及橋臺，其遭受破壞後可導致橋樑坍塌，且震後修復難度大，基本不能再投入使用。受水平力影響，薄弱的截面經過反覆震動後受到嚴重破壞。延性破壞多指長細的柔性墩，表現為混凝土開裂、塑性變形，其產生原因為焊接不牢、部件配設不足等。脆性破壞多指粗矮橋墩，表現為鋼筋切斷，究其原因為墩柱剪下強度不足。橋臺多表現為滑移、顛覆。基礎的破壞表現為不均勻沉陷、樁基剪下等，其破壞具有隱蔽性，修復難度極大。
3 橋樑震害原因
造成橋樑震害原因較多，主要有地震強度過大，超出橋樑的抗震設防標準；橋樑所處的地理位置不佳，致使地基變形；此外認為原因也可導致橋樑抗震能力不足，例如設計不合理，原材料質量不達標，施工出現操作失誤等。
4 高墩大跨徑連續鋼構橋結構的抗震設計分析
4.1 重視高墩大跨徑連續鋼構橋的總體佈置
地震時橋墩頂部位移較大，採用連續鋼構結構有助於減少落梁。墩梁固結為整體，則多餘的約束可形成塑性鉸，從而提高橋樑的`抗震能力。建設高墩橋時，受地理位置影響，易出現剛度和質量問題。合理調整相鄰橋墩高度，對於連續梁橋，應儘可能保持其剛度相近，並根據橋墩剛度比與週期比進行嚴密計算，減少誤差，增強高墩橋整體抗震能力。
4.2 選擇合適橋墩
在地震中，橋墩形式影響橋樑結構，因而其設計與選型對於抗震安全性具有重要意義。地形與地貌均對橋墩設計產生影響，常見的橋墩形式有門架墩、雙柱墩等，但抗彎與抗扭剛度較差，當橋墩超過30m時，易產生失穩現象。高墩大跨徑連續鋼構橋根據實際情況多采用空心薄壁墩（如圖1、2所示）或者獨柱T型墩，二者各個方向抗扭與抗彎剛度都較好，具有整體性好等優點。而獨柱T型墩適用於高度低於60m時，其原理是將懸挑式蓋梁與墩柱充分結合，其截面尺寸與剛度均較小。而心薄壁墩適用於高度低於80m時，外觀與獨柱T型墩相似，其截面尺寸與剛度均較大。
5 高墩大跨徑連續鋼構橋的抗震計算
5.1 計算時所需考慮的因素
通常受地形、斷層、橋身長度限制，應考慮多點激勵的影響。同一地震，其在地表所呈現的反應不同，因而幅值、頻譜特徵各異，再加上空間變化複雜，因而需考慮多方面因素。
地震時，受到高墩自身質量或週期影響，可形成兩個及其以上塑性鉸，而忽略高階振型會導致設計時出現誤差，從而影響橋樑抗震時安全性，因而在設計時應將橋墩高階振型的影響計算在內。
5.2 反應譜方法
在橋樑抗震分析中，反應譜方法較為常用，但其弊端在於地震時假設支座運動規律相同，沒有考慮運動的不一致性。對於處於地形複雜的高墩橋而言，這種不合理的假設造成非線性問題出現較大誤差。
5.3 隨機震動法
該方法是公認的較為合理方法，其結合地震發生的機率，但是計算量較大，同樣也會使非線性問題出現誤差。隨著科技的發展，隨機震動虛擬激勵法應運而生，不僅解決計算量的問題，同時確保計算的精度，具有效率高，使用方便等優勢，在高墩橋樑設計中應用廣泛，但在處理罕見地震時存在侷限。
6 高墩大跨徑連續鋼構橋抗震措施
6.1 重視橋墩臺處檔塊設計
地震中抗震檔塊出現剪裂現象，表明其設計對於提高橋樑整體抗震能力具有重要作用。在設計過程中，應重視其餘主樑剛度的比值、剪裂的程度，此外針對不同跨徑與結構的橋樑，應根據實際需要設計不同尺寸的檔塊。
6.2 可對支座進行隔振處理
設計高墩橋樑時，可採用疊層、鉛芯橡膠等隔震支座，在橋樑與橋墩的連線處增加柔性，從而降低對地震的反應。
綜上所述，分析高墩大跨徑連續鋼構橋樑結構抗震設計，有助於完善橋樑總體設計，提高橋樑抗震能力，減少經濟損失，並提高橋樑安全性。
參考文獻
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