张勇1 李彦滨2 方海燕1
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摘要：本文结合高墩桥梁自身特点及其在世界各大地震中的震害情况，详细阐述了山区高墩桥梁的抗震概念设计及抗震计算等内容，同时提出了必要的抗震构造措施，为山区高墩桥梁的抗震设计提供了有益的参考。
关键词：高墩桥梁；震害特点；概念设计；抗震计算；抗震措施
引言
由于地形复杂程度不同，以及公路、铁路基础设施建设要求不同，我国公路、铁路基础设施建设不得不采用许多高墩甚至超高墩桥梁，以跨越河谷和深沟。据不完全统计：我国已建成的墩高超过100米的仅刚构桥梁已近40座，居世界第一。在我国西部地区已建或在建的公路、铁路桥梁中，墩高超过40米的高墩桥梁占桥梁总数的40%以上。表1列出了近年来国内已建成的部分高墩桥梁[1]。今后，高墩桥梁的应用将越来越多。
表1 部分百米高墩大跨连续刚构桥
对于绵延数千公里的公路、铁路线，是联系区域经济的大动脉，也是抗震救灾的生命线[2]。高墩梁桥墩身重量较大，墩顶主要承受桥跨荷载，这种桥梁结构是抗震不利的结构体系，主要是因为较大的墩顶在发生地震时容易发生位移且支座也很容易破坏，严重时甚至会引起落梁。此外，高墩桥梁受震害后修复困难，影响地震后生命线的畅通，将给地震区带来严重的第二次灾害。因此，在高墩桥梁设计过程中，要将抗震因素考虑进去。
1高墩桥梁震害特点
总结世界各大地震及汶川大地震的震害[3]，山区高墩桥梁震害总体上具有以下特点：
（1）在桥梁选址方面，近场地震的破坏性较大，且地震造成的次生地质灾害巨大。
（2）不规则线形的弯桥和斜桥等桥型在地震中的损毁要比直线桥严重。
（3）整体性差的桥梁，如简支梁桥，容易发生整体垮塌、落梁事故。
具体震害形式表现为：
（1）上部结构震害。上部结构自身震害很少见，常见的有梁体移位和结构碰撞。移位震害一般发生在伸缩缝处，主要有纵向、横向和扭转移位；梁体纵向移位过大可导致梁跨整体落梁。
（2）下部结构震害。下部结构震害主要有桥墩破坏、框架墩盖梁及节点破坏和桥台破坏。在历次地震中，桥墩破坏主要表现为弯曲破坏，也有剪切破坏发生。以弯曲破坏为主的桥墩，多见墩身混凝土开裂、破碎，主要受力钢筋弯曲，墩身塑性变形较大，但均不会导致结构倒塌；以剪切破坏为主的桥墩，多见墩身发生很大的塑性变形导致墩身失效，甚至造成结构垮塌。框架墩盖梁的破坏多是弯曲破坏，但是其节点处多发生剪切破坏；桥台破坏在历次大地震中较常见，多表现为台身与上部梁体端部之间的碰撞及桥台整体滑移、倾斜等形式。
（3）支承连接部位震害。支撑连接部位震害主要表现为支座破坏。对于固定支座，多见支座构件及支座与结构之间的连接、锚固构件的破坏失效。对于活动支座，多见其位移量超出允许范围而导致支座失效。
（4）基础及承台震害。高墩桥梁多采用桩基础，基础震害的主要表现为由地基失效、上部结构传下来的惯性力等引起的桩基剪切、弯曲破坏。承台破坏主要表现为与桩顶的连接失效。
2高墩桥梁抗震概念设计
抗震概念设计[4]是指以抗震基本设计原则和思想为基础，以工程概念为依据，用符合工程本质和客观规律的方法对一些难以在计算或规范中做出具体规定的问题进行分析做出判断，从而采取相应的措施对设计对象进行宏观调控。自20世纪70年代以来，人们总结历次抗震经验时发现在结构抗震设计中。概念设计在很大程度上决定着抗震设计的科学性和合理性，在实际工程中的重要性大于计算设计。抗震概念设计[5]主要包括工程结构的总体布局和细部构造。对桥梁来说，抗震概念设计包括桥梁位置选择、桥梁上下部结构选择、桥梁选型及桥梁连接件、配筋方式等细部构造的选择。
2.1桥梁位置
高墩桥梁设计时往往需要考虑一些非抗震因素的影响，如地形地貌、交通流量等都对桥宽、桥长、平竖曲线等产生制约，此类因素在设计时通常是无法调整的。而作为桥梁结构地震响应的主要影响因素之一，桥梁的形式可根据工程实际灵活地选择。山区高墩桥梁一般是设在平竖曲线半径相对较小弯道较多的地方，桥梁多为变墩高的曲线桥，结构较为复杂，极不规则。
2.2桥梁整体结构
桥梁整体结构对桥梁的质量和效益有直接影响，山区高墩桥梁在受到地震影响后常会出现较大位移，而造成这一问题的主要原因是桥梁刚度和质量不平衡。山区桥梁由于山谷两侧的山体坡度大，桥梁的墩高差异较大，易造成相邻两桥墩的刚度大小不一。当地震发生时，各桥墩之间的水平地震力无法均匀分配。刚度较大的桥墩承载的力更多，而当刚度扭转中心发生偏移时，桥梁的上下部结构就会出现水平转动，导致桥梁被破坏的几率增加。等墩高、等跨度、等桥面宽度及简支梁支座等结构形式能够最大限度地保证桥梁刚度和质量的平衡。在桥梁结构设计中可根据实际需求对桥墩直径、支座形式等进行调整，以尽可能地确保刚度和质量的平衡。
2.3桥墩的选择
山区桥梁一般是变墩高的曲线桥，结构极不规则，曲线桥梁的几何形状会影响其地震响应，桥墩的形式也是影响桥梁结构地震响应的主要因素之一。在地震作用下，高墩与矮墩的结合使得桥梁受力更为复杂，而当高墩与矮墩不耦合时，则可能会导致高墩的地震位移过大，导致上部结构的落梁或支座脱位，高墩的选型和设计对全桥在地震作用下的安全有着重要意义。山区高等级公路由于地形地貌的限制，墩高大于40m的非规则梁桥非常多。由于多采用简单的梁桥结构，梁桥墩高在30m以内时，往往多采用双圆柱桥墩；当墩高超过30m时，往往采用独柱T形墩、空心薄壁墩、门架墩等桥墩形式，这些桥墩形式都具有自身的特点。对于位于平曲线上的桥梁，在地震发生时，桥墩的地震响应为弯扭耦合震动，桥墩的截面形式要求具有较好的抗弯刚度和抗扭刚度；普通双柱墩横向抗弯刚度较好，但是纵向抗弯刚度和抗扭刚度较差。桥墩较高时，双柱墩在弯矩、剪力、轴力的共同作用下容易发生墩柱的失稳破坏，因此在桥墩高超过30m时，不建议采用。独柱T形墩和空心薄壁墩具有各方向抗弯刚度较大、抗扭刚度大、整体性好等优点。在山区高墩桥梁的设计中，独柱T形墩一般采用预应力悬挑式盖梁与刚度较大的墩柱相结合，特点是截面横向尺寸较小，相应的横桥向截面刚度较小，在桥墩高度不大于60m时采用较多；空心薄壁墩的形式与独T形墩从外观上比较接近，但是截面横桥向尺寸较大、桥墩横向刚度较大，在桥墩高度小于80m时具有明显的优势。门架墩的刚度比普通双柱墩好，但随着墩高的增加，由于横向通过系梁将两根门架柱联系起来，因此横向刚度和整体性较差，抗扭刚度较小，门架墩多用于桥墩高度不大于90m的桥梁。因此，从桥墩选型来考虑，梁桥独柱T形墩和空心薄壁墩有一定的优势，预应力混凝土刚构多采用单薄壁墩、双薄壁墩。
3高墩桥梁抗震计算特点及方法
山区高墩桥梁由于山谷两侧山体坡度较大，墩的高度往往相差悬殊，跨距不均匀，地震力作用下水平地震力在各墩间的分配一般不理想，因此山区桥梁抗震计算有其难点和特点[6，7]。
3.1高墩桥梁抗震计算的特点
（1）高墩桥梁抗震计算需要将动力非线性的影响因素考虑进去，高墩桥梁无论是在动荷载还是静荷载下都会产生比较明显的非线性变形，尤其是以轴力为主的大跨度刚构桥对变形影响非常敏感。因此，高墩桥梁在进行抗震计算时需要将非线性变形的影响因素考虑进去。
（2）高墩桥梁的建设一般都是在山区，山区的地形比较复杂。因此，在高墩桥梁进行抗震计算时需要考虑地形变化大、近断层、跨断层和长大跨桥梁等因素的影响。根据相关地震资料表明，即使是在同一次地震中，地表各处的反应也会各不相同，即使相距仅几十米，振动的相位、频谱和幅值特征也是各不相同的。此外，其空间变化十分复杂[7，8]。因此，高墩桥梁在进行抗震计算时应该将多点激励的影响考虑进去。
（3）高墩桥梁抗震计算考虑将桥墩高阶振型的影响因素考虑进去，由于高墩的墩身质量比较大，自振周期比较长，在地震作用下就可能会出现两个或两个以上塑性铰[9]，那么在发生地震时就很难保证桥梁结构的抗震安全性。因此，为了保证桥梁结构的抗震安全性，在进行抗震计算时就需要将高阶振型的影响因素考虑进去。
3.2高墩桥梁抗震计算方法
桥梁在地震动作用下的结构反应就是随时间变化的支座移动导致的结构反应，地震动过程中其结构主要承受的荷载是随时间变化的支座移动产生的。如果结构的力学状态和运动状态本构关系确定了，此时将随时间变化的支座移动假设具有一定的加速度和速度，那么结构的非支座部分同样会产生相应的加速度、速度和位移。其中常用的抗震计算方法主要有反应谱方法、宏观力学计算方法、时间历程分析方法及随机振动法。
（1）反应谱方法
反应谱方法是目前桥梁结构抗震分析最广泛最基本使用的分析方法。在应用反应谱方法进行抗震分析时，反应谱分析涉及到的参数有很多方面，其中主要参数是输入方向组合下单个支座剪切力最大值等因素。对应的临界滑动摩擦力之间的数值以及部分支座的横向弹性剪切力与大部分支座的顺桥向弹性剪切力之间的关系在地震动作用下应该通过计算掌握好，如果这些数值不在规定允许范围内，就可能会增大梁底面与顶面之间相对滑移的位移，那么此时就需要采取一定的措施进行良好的抗震。
（2）宏观力学计算方法
抗震性能研究的基础性工作就是运用宏观力学的方法认识和分析桥梁的动力学特性。而建立全桥线弹性的计算模型是在进行动力学分析之前必须要做的一个步骤。通过对桥墩和主梁进行空间梁的单元模拟，在桩身单元上施加侧向土弹簧来模拟桥墩的桩--土相互作用，然后通过选取合适的方法将其数值计算出来。架构动力学特性主要是通过振型和自振频率两个因素体现出来。
（3）静力弹塑性分析（Push - over）方法
Push-over方法作为近似的非线性抗震分析手段，主要是用于结构的变形计算，应该说有一定的应用价值。但用静态的分析方法来研究动态的结构响应，力学模型本身就有其局限性。
（4）时间历程分析方法
研究表明，高墩桥梁受到强烈地震作用下，可能进入严重的非线性弹塑性状态。在这种情况下，相比于随机振动法和反应谱法，时间历程分析方法具有更强的适应性。因为时程分析法能与结构的弹塑性地震反应联系起来，并且可以将结构的固有特性与地震动输入的特性很好地联系起来。但时程分析法应用于实际设计的一大障碍是计算量庞大，对于确定性的地震动输入方式，必须生成符合结构所在场地的空间地震动场，才能使这个方法应用于多点激励时程。据以上分析，随着计算机技术的发展及人们对地震动的深入了解，时程分析法虽然有一些缺陷，但仍然是目前求解在多点地震动激励作用下山区高墩非规则桥梁非线性反应的最好解决方法之一。
（5）随机振动法
随机振动法是一种合理的分析方法，因为地震地面运动是一个非平稳随机过程，而随机振动法充分考虑了地震发生的概率特性。但是，随机振动法的缺点是对于非线性问题可能引起较大的误差，且计算量庞大。为保证足够的计算精度又解决随机振动方法计算量庞大的难题，可以应用随机振动虚拟激励法[10]。虚拟激励法计算效率很高、应用方便，并且在一些重要方面弥补了反应谱法的不足，适于广泛地应用于桥梁结构抗震设计中，但在处理罕遇地震下的高墩强非线性问题时该方法有其局限性。
4 高墩桥梁抗震构造措施
汶川地震中，不少梁桥出现落梁，墩、台、支座破坏现象。在此，本文总结了几项抗震措施，可以应用于山区高墩桥梁的抗震设计。
（1）桥墩台处采用限位器。美国的《加州地震设计规范》和日本的《桥梁设计规范》都推荐了在伸缩缝处安装限位器来限制相对位移，并指定了限位器的设计方法；日本《桥梁设计规范》还考虑了碰撞对相对位移的影响，提出了考虑碰撞效应的相对位移反应谱，以防止地震中上部结构落梁的发生，而我国桥梁抗震设计及验算都只注重桥墩的强度和变形能力，虽然我国有些桥梁已经采用连梁装置，但还缺乏系统深入的研究。
（2）合理设计桥墩、台处的挡块。现行桥梁抗震设计规范对桥梁的构造细节有待改善，汶川地震中出现大量桥梁发生抗震挡块的剪断或剪裂现象，说明抗震挡块的合理设计及施工非常重要。挡块设计应关注挡块与主梁的刚度比值范围；地震挡块的容许剪裂程度；不同跨径、不同结构形式的桥梁应采用不同尺寸和结构的挡块。
（3）采用隔震支座。采用减、隔震支座，在梁体与墩、台的连接处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应，如叠层橡胶支座、聚四氟乙烯支座和铅芯橡胶支座等。
（4）采用隔震支座和阻尼器相结合的系统。近20年来，美国、新西兰和日本等国在桥梁减、隔震和延性抗震方面都列入了相应的条款，而我国规范还不够具体。
（5）利用桥墩延性减震。桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性，以便在强震作用下使这些部位形成稳定的延性塑性铰，产生弹塑性变形来延长结构周期、耗散地震能量。
（6）采用新型耗能材料。开发利用新型材料，使桥梁能够隔离、吸收和耗散地震能量，减小桥梁结构的地震反应，使桥梁的变形限制在弹性范围，避免由于产生塑性变形而造成累积损伤破坏和永久残余变形。例如钢管混凝土和型钢混凝土结构等，日本新建的桥梁多采用钢结构就说明了这一发展趋势。
5结语
高墩桥梁的抗震设计直接关系着桥梁整体结构的性能和质量，因此在桥梁工程中必须重视抗震设计。通过抗震概念设计，利用合理的计算方法，选择合理的桥梁结构和桥墩形式，保证桥梁的抗震性能，提高工程质量。
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作者简介：
张勇（1980-），男，工程师，从事特种结构设计与研究。
论文作者:张勇1,李彦滨2,方海燕1
论文发表刊物:《基层建设》2015年13期供稿
论文发表时间:2015/12/23
标签：桥梁论文; 桥墩论文; 支座论文; 结构论文; 刚度论文; 方法论文; 山区论文; 《基层建设》2015年13期供稿论文;