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摘要：预制箱梁桥桥墩的抗震设计是桥梁使用寿命的保障因素。在公路桥梁的抗震设计中，在对结构的破坏问题进行控制的基础上，让桥梁在地震灾害发生以后正常发挥使用功能，是桥梁设计人员在桥梁设计中所要遵循的原则。本文主要从桥墩抗震设计的设计模型入手，对桥墩的抗震设计问题进行了探究。
关键词：预制箱梁桥；桥墩；抗震设计
前言
桥梁是国家交通运输体系中的关键要素。桥梁的抗震设计是国家道路交通正常运转的保障因素。预制箱梁桥是公路项目中较为常见的一种桥梁类型、对这种桥梁的桥墩抗震设计问题进行探究，可以为我国桥梁工程的发展提供一定的帮助。
一、预制箱梁桥桥墩抗震设计分析
以某地的公路大桥为例，该桥的场地抗震设计烈度为8度。在桥梁的建造阶段，施工单位对先简支后连续的预制箱梁进行了应用[1]。从桥梁的下部结构来看，施工队伍采用的是双柱式混凝土钻孔灌注桩基础。在对该桥桥墩的抗震设计问题进行探究的过程中，我们可以借助MIDAS Civil 2010建立一种整体空间有限元模型，这一模型涉及到了桥梁的主梁、盖梁和桥墩等多个内容，由674个节点和680个单元组成。
梁格法是桥梁主梁建模过程中所常用的建模方法。这种建模方法实际应用过程中具有概念清晰和易于操作的特点[2]。从这一建模方法的思路来看，它可以用一种等效化的梁格结构，对桥梁的上部结构进行模拟，也可以将一些分散在桥梁箱梁区段内的弯曲刚度和抗扭刚度集中在临近的等效梁格之中。在本文所论述的桥梁案例中，桥梁纵梁所采用的材料为C50混凝土，虚拟横梁采用的是一种具有无自重性特征，且弹模与主梁相一致的材料，在相关的研究模型中，这种虚拟横梁可以对主梁间的横向连接进行有效的模拟。
在主梁建模过程中，C30混凝土在以下领域得到了应用：一是桥梁的盖梁部分；二是桥梁的墩柱部分；三是桥梁的桩基部分。弹性连接法是对桥梁的支座刚度进行模拟的有效方式，在借助土弹簧对桩基与地基土之间的相互作用进行模拟以后，以下数据可以成为地基土在动力状态下的水平向抗力比例系数：地基土在静力状态下的水平向抗力值的2.5倍。
二、预制箱梁桥桥墩抗震设计的计算
从《公路桥梁抗震设计细则》的内容来看，针对桥梁在经济、国防等多个领域所发挥的作用，国家从桥梁在不可抗力破坏下的修复难度入手，将桥梁的抗震设计类别分为了A、B、C、D四种类型。也就是说，A类的桥梁在地震时或地震发生以后，使用功能并没有得到破坏；B类的桥梁在地震灾害发生以后，可以在短时期内得到恢复，也可以在震后发挥一定的作用；C类桥梁是地震以后不须在短时期内恢复的桥梁；D类桥梁则是在地震灾害发生时允许出现倒塌现象的桥梁，下表所示的内容为桥梁的结构设防水准和相关的性能目标
从本文所论述的桥梁的实际位置来看，桥梁所在的区域特征周期为0.35s，桥梁的抗震设防烈度被设置为8度。周边区域的土层以中软土为主要特点。从该桥梁在当地公路交通体系中所发挥的作用来看，桥梁结构的阻尼比被设计为0.05，地震作用时抗震的重要性系数也被控制为0.50。在对这种预制箱梁桥的桥墩抗震设计问题进行计算的过程中，桥墩塑性铰的转动能力和桥墩墩顶位于层度是研究者所无法忽视的内容，因而，研究人员需要在构建桥墩轴力-弯矩-曲率曲线进行建构的基础上，对以下因素进行确定：一是桥梁桥墩在最为不利的轴力下的等效屈服曲率；二是桥墩在最不利轴力下的极限破坏状态曲率。从计算结果来看，在本文所论述的案例中，上述两参数的数值分别为0.002344和0.009712。
二、抗震设计效果分析
多重Ritz向量法的应用是对抗震设计效果进行分析的有效措施，与之相关的特征值因素涉及到了桥梁纵桥向和横桥向的20阶震型。下表所示的内容为桥梁的自振特性表
从本文中所论述的桥梁项目来看，它的横、纵向振型参与有效质量分别为94.78%和95.74%。根据《公路桥梁抗震设计细则》的规定，上述两项指标的最低值需要控制在90%以上，因而，本文所论述的桥梁项目在振型阶数方面符合国家相关标准的要求。在对地震对桥梁的破坏过程进行模拟以后，假设桥梁处于恒载状态，桥墩墩顶在E1地震下的偏心弯矩的作用下所产生的偏心距为0.801m，极限轴力和桥墩的抗力分别为5800.1kN和25379.2kN。在偏心弯矩的影响下，桥墩墩底的偏心距为0.979m，极限轴力和桥墩抗力值分别为6074.3kN和17448.5kN。也就是说，在E1地震下，桥梁处于弹性化的工作状态之中。这就说明桥梁工程在E1地震下可以有效满足国家公路桥梁抗震设计细则的要求。
在E2地震的作用下（假设桥梁处于恒载状态）桥墩墩顶在偏心弯矩作用下所产生的偏心距为0.926m。极限轴力和桥墩抗力分别为7017.9kN和19298.1kN墩底的偏心距为1.479m，极限轴力和桥墩的抗力分别为7230.3kN和6613.9kN[3]。因而，在E2强度的地震下，桥梁已经进入到了塑性状态之中。在这样的情况下，桥墩墩顶的顺桥向的最大位移值已经达到了3.9cm，而在国家相关标准的规定下，墩顶的最大位移值为2.3cm，因而本文中所论述的桥梁需要对墩顶位移问题进行控制。从墩顶实际位移值超出国家标准的现象的产生原因来看，桥墩刚度问题和桥过于柔弱的问题是引发这一现象的主要原因。增大桥墩直径和增加纵向钢筋的措施是对这一问题进行解决的一种措施，但是从这一措施的实际应用效果来看， 桥墩直径的增加会让桥墩的极限抗弯承载力有所增加。因而在桥墩直径的增加就会给桥墩塑性铰区域的抗剪因素带来一些不利的影响。为了让桥墩的抗震性能得到提升，桥梁设计人员可以在让桥墩直径维持现状的基础上，对塑性铰区域的箍筋配筋率进行提升。高阻尼减隔震支座的应用，可以在对桥梁结构的阻尼比进行强化的基础上，对桥墩的抗震能力进行强化。在依托相关设计规范对全桥结构阻尼比进行计算的基础上，对相关的反应谱进行修正，也可以让塑性铰区的抗剪因素得到优化。
结论
桥梁结构的动力特征开始对桥梁抗震性能进行分析的过程中，所不可忽视的一项重要内容。对桥墩抗震设计问题进行分析，可以为与之箱梁桥桥墩抗震设计的创新提供一定的帮助。
参考文献
[1]侯娜.梁格法在预制混凝土箱梁桥空间分析中的应用[J].城市道桥与防洪,2017,(02):98-99+13.
[2]杨竹林,王攀峰,杨建中.预制箱梁桥桥墩抗震设计分析[J].水利规划与设计,2014,(12):38-39+76.
[3]屈明清,瞿翼.30m后张法预应力混凝土箱梁预制安装施工技术[J].大众科技,2008,(07):96-97.
论文作者:李兆杰
论文发表刊物:《防护工程》2017年第11期
论文发表时间:2017/9/20
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