山区高墩桥梁抗震设计

宣秀珍

（江苏纬信工程咨询有限公司 江苏南京 210014）

我国是一个面积辽阔的大国，国内地形条件复杂，一些省份山区较多，建设公路时需要建造跨越深沟或河谷的桥梁，一些桥梁的桥墩高度高达上百米，再加上一些地区是地震受灾重区，高墩桥梁很容易受到破坏。为此，对山区高墩桥梁的抗震设计进行研究分析具有重要的意义，不仅能提高桥墩稳定性，还能优化工程效益。

1 山区高墩桥梁抗震概念设计

围绕着以地震灾害、工程经验等为依据总结出的抗震基本设计原则、设计思想为中心进行桥梁结构总体布置，以及确定细节构造的过程就是抗震概念设计。抗震概念设计的理论基础是工程概念，设计过程中分析判断一些很难通过计算或规范解决的问题时需要采用符合工程本质和客观规律的方法，并采取有针对性的措施实现对设计对象的宏观调控。就目前而言，人类在地震这方面掌握的知识仍然很少，发现的地震及结构受地震作用的规律很少，这使得结构抗震设计无法制定具体的规定。随着人们抗震经验的增长，人们发现了一个重要的原则，即概念设计对抗震设计的科学性、合理性具有决定性的影响作用，其在实际工程应用中远比计算设计更为重要。抗震概念设计主要由工程结构总体布置及细部构造组成，而桥梁的抗震概念设计则包括桥梁位置选择、桥型方案等基本内容及桥梁上下部结构型式选择、连接、配筋方式等细部构造两部分内容。表1概括了桥梁抗震设计中桥位选择、桥梁结构选型、桥墩选型方面应遵循的大体原则。

表1 桥梁抗震设计原则

1.1 桥位选择

桥位选择是山区高墩桥梁抗震设计的一项重要内容，对桥的稳定性具有十分重要的影响。桥位选择的总体原则就是选择对抗震有利的地段，如在附近无活动性断裂且地质构造较稳定的场地建设桥梁，尽可能地使桥梁远离黏性土层、液化土层、底层严重不均匀的区域，这些地质结构软弱的区域受到地震作用容易出现滑坡、崩塌现象从而改变河流流向，进而对岸坡稳定性及桥梁墩台安全性造成严重的影响。在山区高墩桥梁的抗震设计过程中，桥的许多参数，如桥宽、桥长等，都会受到地理条件及其他因素的限制而无法调整。此时，根据实际需求及相关标准选择合适的桥梁上、下部结构就显得尤为重要。桥梁上、下部结构是桥梁结构抗震性能的主要影响因素。山区高墩桥梁通常设置在平竖曲线半径较小，弯道较多的地方，而桥梁的型式多为高墩曲线桥，结构复杂，具有明显的不规则性。为此，山区高墩桥梁抗震设计中桥梁型式的选择具有重要作用。

1.2 桥梁结构选型

在山区高墩桥梁抗震设计中，桥梁结构型式选择最先考虑的就是该构型能否满足抗震要求。桥梁上部优先选择抗震性能好的构型，如连续梁、连续刚构等，同时注意尽量避免大跨径，以中小跨径代替。此外，桥梁上部结构设计中，结构可通过设置多个制动墩将地震作用力分散，从而增强结构的抗震能力，制动墩的基础应进行适当的强化。桥梁下部结构的设计则应综合考虑柔度、承载力、耐久性、结构稳定性等多个因素，实现大震不倒、中震可修、小震不坏。山区高墩桥梁的刚度和质量不平衡问题容易导致桥梁受地震作用后发生较大位移，而导致这一问题的原因主要是山谷两侧山体坡度大，桥梁墩高出现较大差异，导致相邻桥墩刚度不同。相邻桥墩刚度不同的桥梁在受地震影响时无法平均分配地震作用力，刚度大的桥墩需要承载更多的力，容易导致刚度扭转中心出现偏移，从而致使桥梁上、下部结构发生水平转动，桥梁被破坏的几率大大增加。为了实现桥梁刚度和质量的平衡，通常会采用等墩高、等跨度、等桥面宽度的设计，但山区地形复杂，给桥梁建设造成了很大的限制，这些设计难以实现。

1.3 桥墩选型

山区桥梁大多是曲线桥梁，具有比较突出的不规则性，受力情况复杂，桥梁的墩高不一致，高墩与矮墩之间的关系对桥梁的抗震能力具有突出的影响。若高墩、矮墩耦合，地震作用时，矮墩受力更大，更易被破坏；若高墩、矮墩不耦合，则墩顶容易发生位移，导致落梁或支座脱落，从而对主梁、伸缩缝造成破坏。为此，桥墩选型对桥梁抗震性能具有重要作用，图1是一些常见的高墩桥墩，有双柱墩、T型墩、空心薄壁墩、门架墩，不同墩型特点不同，适用的情况也不同。

图1 常见高墩桥墩

常规双柱墩的特点是横向抗弯刚度较好，纵向抗弯、抗扭刚度较差，主要适用于墩高不超过30m的桥梁。T型墩的特点是各方面抗弯、抗扭刚度都较大，但其横向截面尺寸小，因此横向刚度较小，适用于墩高小于40m的桥梁。空心薄壁墩分为等截面和变截面两种，其横向刚度大，等截面的空心薄壁墩适用于墩高小于80m的桥梁，变截面的空心薄壁墩使用高度则可达到100m。门架墩适用于桥梁较宽、墩高低于60m的桥梁。

2 山区高墩桥梁抗震计算方法

（1）拟静力法。拟静力法是以动态分布系数、结构重力作用以及地震加速度与重力加速度比值的乘积为依据设计地震力，确定地震作用，并将其作为静力荷载作用于结构上，进行静力分析。静力分析法是一种近似的非线性抗震分析法，被用于计算结构变形。若将此方法用于研究动态结构，拟静力法的力学模型局限性较明显。

（2）反应谱法。反应谱法是桥梁抗震设计计算常用方法，可细分为振型分解反应谱法、底部剪力法。反应谱法根据标准反应谱，作用于结构的地震惯性力表示结构受到地震作用时的地面加速度引起的结构自身加速度动力反应，把动力问题转变为静力问题，再进行处理。利用反应谱法进行计算时主要考虑不同振型或基本振型的地震反应，而没有充分考虑到各支座在地震作用下运动的不均一性、差异性。为此，对于结构比较复杂，具有较强不规则性的高墩桥梁，不推荐使用此法进行抗震计算。

（3）时程分析法。时程分析法指的是把地面加速度的地震波直接输入结构动力方程中求解，从而得到结构振动时的位移的计算方法。当收到强烈地震作用时，高墩桥梁可以出于一种严重的非线性弹塑性状态，在这种情况下使用时程分析法应综合考虑地震输入特性、结构弹塑性。时程分析法与拟静力法、反应谱法相比，在计算设计中具有优势。

3 山区高墩桥梁抗震策略

山区高墩桥梁抗震不仅需要考虑结构抗震设计，还应采取抗震措施。①梁端至墩、台帽边缘的距离应符合相关安全标准，桥台背墙应适当加强，在梁和桥台背墙间装弹性衬垫，缓和冲击，以减小梁的位移。②采取适当的纵向、横向限位措施，如螺栓连接等，以减小桥梁位移。此外，还应注重墩柱延性抗震。

4 小结

山区高墩桥梁抗震设计与桥梁整体性能、质量具有直接关系，对桥梁稳定性、安全性具有重要影响作用。桥梁工程建设必须正确认识到桥梁抗震设计的重要意义，以抗震概念设计为原则，采用科学合理的计算方法，采取必要的抗震措施，优化桥梁抗震性能，提高桥梁工程的质量。