橋梁抗震論文：匝道橋的防震概念設計透析范文

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作者：李睿趙靜單位：昆明理工大學建筑工程學院

橋梁的總體布置

1立交匝道橋的特點

互通立交的匝道橋，受地形、地物和占地面積等影響，其總體布局跟其它橋梁相比，有以下特點：

（1）由于互通立交區匝道的最小平曲線半徑可達30m，如果橋梁剛好位于小半徑平曲線上，則該橋就可能做成曲線梁橋，且往往超高值較大，故橋梁的橫坡較大。

（2）由于要在短距離內實現高差，匝道橋往往縱坡較大。

（3）橋面較窄。

（4）匝道橋有時候需要跨越主線或其他匝道，以及非機動車道，因此匝道橋的單跨跨徑受到限制，不能減小。

由于匝道橋具有斜、彎、坡、異形等特點，屬于不規則橋梁，在地震作用下的響應相對比較特殊，其抗震設計將更復雜，不僅要滿足常規橋梁所規定的構造，而且在某些方面需要提出更高的要求。震害表明，曲線梁橋具有較高的地震易損性，薄弱環節較多，因此其抗震概念設計就顯得尤為重要。

2上部結構

由于匝道橋很多是彎、窄橋，其在荷載作用下，包括靜力荷載和動力作用，上部結構的扭矩較大，上部結構受力處于彎扭耦合狀態，故需要采用抗扭剛度較大的截面，且橋梁上部結構的整體性要好。因此，對于匝道橋，特別是在小半徑曲線上的匝道橋，宜采用箱形截面（跨度相對較大時）或者實心截面（跨度相對較小時）。也正是因為如此，為增加剛度和穩定性，上部結構宜采用結構連續。所以，對于匝道橋，上部結構采用連續箱梁或者連續實心板，將有效地提高其抗震性能。

3下部結構

3．1橋墩的形式

匝道橋一般相對較窄，橋墩一般采用雙柱墩或者獨柱墩，橋墩的剛度相對較小。在地震作用下，墩身的彎矩和剪力一般不大，但是位移相對較大，如有較好的限位措施，對于抗震來說，未必是不利的。而對于小半徑匝道橋來說，地震作用下，可能會導致橋墩產生較大的扭矩，故橋墩的墩身宜采用抗扭剛度相對較大且整體性較好的結構，如獨柱實心墩或者空心墩。如采用雙柱式墩，應對其進行全橋空間地震響應分析，對關鍵部位進行加強。

3．2橋墩的剛度

對于連續梁橋，同一聯內各橋墩的高度不同而導致其抗推剛度相差較大，則水平地震力在各墩間的分配不均衡，剛度大的墩將承受較大的水平地震力，嚴重時可能導致剛度較大的橋墩發生破壞，從而導致全橋的損毀。如果剛度扭轉中心和質量中心偏離，上部結構還將伴隨產生水平轉動，又可能導致落梁或者上部結構的碰撞。而匝道橋恰好容易符合這兩個條件：縱坡較大，橋墩高差將會比較大；在小半徑曲線上，地震作用下可能會出現上部結構的水平轉動。

雖然匝道橋的橋墩高度相差較大，可以通過改變橋墩截面的形式或大小來對其抗推剛度進行調節。對于相對較高的橋墩，可以采用剛度較大的截面形式，或者增加其截面尺寸。如此一來，可以使得地震作用下各橋墩的水平地震相應達到均衡。

如橋梁位于小半徑曲線上，地震來臨時，橋墩承受的水平力方向是不確定的，且有扭矩的存在。因此，橋墩截面的剛度在各個方向大致相同將會是比較好的處理方法，如采用獨柱墩或者空心薄壁墩。

3．3橋墩的配筋方式

近年來，橋梁結構的穩健性（robustness）越來越受到重視。穩健性的意思，即當參數攝動時，仍能保持整體穩固性的能力，故亦稱為“參數攝動不敏感性”。對于工程結構，則指意外作用下的結構的整體牢固性，或者說結構破壞的后果與原因的不對應（不相稱）時的牢固性。橋梁的抗震設計，除遵守通常規范的承載力準則外，還需力求避免意外的次生損毀、再次垮塌，縮小損毀范圍以及損壞的可修復、快修復性。匝道橋一般相對較窄，其橋墩要么是獨柱墩，要么是雙柱墩，沒有“冗余約束”，從結構本身來看，其穩健性相對較差。故需通過配筋來提高其在地震作用下的穩健性。

提高橋墩的延性，是提高其穩健性的有效方法之一。配置數量足夠的、錨固合理的橫向鋼筋，對于墩柱來說，可以起到3個方面的作用：約束塑性鉸區域內的混凝土，提高混凝土的抗壓強度和延性；提高抗剪能力；防止縱向鋼筋壓曲。因此，箍筋或螺旋筋的間距小一些。各國抗震設計規范對塑性鉸區橫向鋼筋的最小配筋率都進行了具體的規定。對于尺寸較大的墩柱，除須配置間距足夠小的箍筋或螺旋筋外，還應配置橫向加勁鋼筋甚至是雙層箍筋，以滿足其對核心混凝土的套箍作用（如圖1所示），以提高橋墩的延性，從而提高其地震作用下的穩健性。

其他構造

1支座

為保證橋梁剛度均衡，設計時應優先考慮采用等跨徑、等墩高、等橋面寬度的結構形式。如不能滿足，也可通過調整墩的截面形式和尺寸，或者調整支座等方法來改善橋墩的剛度均衡情況。其中，調整支座可能是最簡單易行的辦法，效果也很顯著。當采用橡膠支座后，由墩和支座構成的串聯體系的組合抗推剛度為：式中：kt是墩和支座的組合抗推剛度，kz和kp分別為橡膠支座的剪切剛度和橋墩的水平剛度。如地震作用下，橋墩仍處于彈性狀態，其水平地震力就是按墩的組合抗推剛度的比例分配的，從上式可以看出，調整支座的剛度可以有效地改善橋的剛度均衡狀況。

另外，如果地震設防烈度較高（超過8度），須考慮將支座設計成抗震支座，以達到減、隔震的目的。

2墩梁連接方式

一般情況下，橋墩跟上部結構之間，采用支座連接。但是，有些情況下，可以將抗推剛度較小的橋墩和上部結構固結來考慮，剛度較大的橋墩與上部結構之間通過支座連接。如此，一方面可以增加橋梁的整體穩定性，另一方面，也可以讓橋墩之間的抗推剛度均衡。

3限位裝置

對于橋墩剛度較小的情況，由于地震作用下的墩頂水平位移較大，限位裝置是不可或缺的。橫橋向的限位措施主要有剪力鍵和防震錨栓，縱向限位措施包括剪力鍵、防震錨栓、鏈索式和拉桿式限位器等（如圖2所示）。限位裝置應允許梁體在小范圍內自由移動，該自由移動范圍的大小一般以不影響支座的正常變形為宜。為減小碰撞力和碰撞損傷，限位器常在梁間和主梁與剪力鍵間設置橡膠等緩沖材料。

工程實例

1工程概況

云南某高速公路的互通立交區橋梁，位于平曲線半徑42m的匝道上，超高0．08，最大縱坡5％，橋寬7．75m，設計采用3～20m現澆箱梁，下部結構采用樁徑1．4m獨柱墩，①號橋墩墩高8m，②號墩高13m。其立面圖如圖2所示。

原設計未進行概念設計。橋墩高度不同，而截面相同；未設限位裝置。現將原設計做局部修改，增加防震銷，橋墩截面隨高度增加，使其抗推剛度接近一致。對該橋的原設計方案和按照本文前述內容進行修正后的方案進行地震響應分析，比較其地震響應的區別。

2有限元模型

取全橋為分析模型，主要分析縱橋向的地震響應。墩底為完全固結。根據橋址的場地土條特性，選用El－Centro波作為非線性時程分析地震輸入，因該橋抗震設防烈度為8度，故將El－Centro波水平地震加速度峰值調至0．2g。計算模型如圖3所示。3．3地震響應分析本文對優化前后的橋梁地震響應進行分析和比較。

設置限位裝置之后的墩頂位移與原設計墩頂位移對比分析：①號墩僅有微小的變化，②號墩位移相比原來小了14．27％，抗震性能提高明顯。可見，限位裝置效果的體現對較高的柔性墩有明顯的影響。

（2）統一橋墩抗推剛度后的影響（見表2）②號墩直徑加大，使其剛度與①號墩一致，計算結果分析對比：橋墩底的內力均有不同程度的改善，其中②號墩改善最顯著，墩底內力與墩頂位移均有大幅度的提高。

①號墩也有相對②號墩較小的變化。可見，讓各墩的剛度盡量相等，對整座橋橋墩的內力和位移都有影響，優化之后的①、②號墩剛度趨向于一致，使全橋的內力分配更均勻，從而提高的橋梁的抗震性能。

結語

立交匝道橋由于其特殊性，在抗震設計中應予以特別關注。概念設計可以總體上把握橋梁的抗震性能，在橋梁抗震設計中起到指導性的重要作用。本文針對匝道橋梁的特點進行分析，工程實例，闡述了此類橋梁的抗震概念設計的重要理念和方法，算例結果表明，這些方法能夠有效地改善匝道橋的抗震性能。