桥梁抗震论文：匝道桥的防震概念设计透析范文

作者：李睿赵静单位：昆明理工大学建筑工程学院

桥梁的总体布置

1立交匝道桥的特点

互通立交的匝道桥，受地形、地物和占地面积等影响，其总体布局跟其它桥梁相比，有以下特点：

（1）由于互通立交区匝道的最小平曲线半径可达30m，如果桥梁刚好位于小半径平曲线上，则该桥就可能做成曲线梁桥，且往往超高值较大，故桥梁的横坡较大。

（2）由于要在短距离内实现高差，匝道桥往往纵坡较大。

（3）桥面较窄。

（4）匝道桥有时候需要跨越主线或其他匝道，以及非机动车道，因此匝道桥的单跨跨径受到限制，不能减小。

由于匝道桥具有斜、弯、坡、异形等特点，属于不规则桥梁，在地震作用下的响应相对比较特殊，其抗震设计将更复杂，不仅要满足常规桥梁所规定的构造，而且在某些方面需要提出更高的要求。震害表明，曲线梁桥具有较高的地震易损性，薄弱环节较多，因此其抗震概念设计就显得尤为重要。

2上部结构

由于匝道桥很多是弯、窄桥，其在荷载作用下，包括静力荷载和动力作用，上部结构的扭矩较大，上部结构受力处于弯扭耦合状态，故需要采用抗扭刚度较大的截面，且桥梁上部结构的整体性要好。因此，对于匝道桥，特别是在小半径曲线上的匝道桥，宜采用箱形截面（跨度相对较大时）或者实心截面（跨度相对较小时）。也正是因为如此，为增加刚度和稳定性，上部结构宜采用结构连续。所以，对于匝道桥，上部结构采用连续箱梁或者连续实心板，将有效地提高其抗震性能。

3下部结构

3．1桥墩的形式

匝道桥一般相对较窄，桥墩一般采用双柱墩或者独柱墩，桥墩的刚度相对较小。在地震作用下，墩身的弯矩和剪力一般不大，但是位移相对较大，如有较好的限位措施，对于抗震来说，未必是不利的。而对于小半径匝道桥来说，地震作用下，可能会导致桥墩产生较大的扭矩，故桥墩的墩身宜采用抗扭刚度相对较大且整体性较好的结构，如独柱实心墩或者空心墩。如采用双柱式墩，应对其进行全桥空间地震响应分析，对关键部位进行加强。

3．2桥墩的刚度

对于连续梁桥，同一联内各桥墩的高度不同而导致其抗推刚度相差较大，则水平地震力在各墩间的分配不均衡，刚度大的墩将承受较大的水平地震力，严重时可能导致刚度较大的桥墩发生破坏，从而导致全桥的损毁。如果刚度扭转中心和质量中心偏离，上部结构还将伴随产生水平转动，又可能导致落梁或者上部结构的碰撞。而匝道桥恰好容易符合这两个条件：纵坡较大，桥墩高差将会比较大；在小半径曲线上，地震作用下可能会出现上部结构的水平转动。

虽然匝道桥的桥墩高度相差较大，可以通过改变桥墩截面的形式或大小来对其抗推刚度进行调节。对于相对较高的桥墩，可以采用刚度较大的截面形式，或者增加其截面尺寸。如此一来，可以使得地震作用下各桥墩的水平地震相应达到均衡。

如桥梁位于小半径曲线上，地震来临时，桥墩承受的水平力方向是不确定的，且有扭矩的存在。因此，桥墩截面的刚度在各个方向大致相同将会是比较好的处理方法，如采用独柱墩或者空心薄壁墩。

3．3桥墩的配筋方式

近年来，桥梁结构的稳健性（robustness）越来越受到重视。稳健性的意思，即当参数摄动时，仍能保持整体稳固性的能力，故亦称为“参数摄动不敏感性”。对于工程结构，则指意外作用下的结构的整体牢固性，或者说结构破坏的后果与原因的不对应（不相称）时的牢固性。桥梁的抗震设计，除遵守通常规范的承载力准则外，还需力求避免意外的次生损毁、再次垮塌，缩小损毁范围以及损坏的可修复、快修复性。匝道桥一般相对较窄，其桥墩要么是独柱墩，要么是双柱墩，没有“冗余约束”，从结构本身来看，其稳健性相对较差。故需通过配筋来提高其在地震作用下的稳健性。

提高桥墩的延性，是提高其稳健性的有效方法之一。配置数量足够的、锚固合理的横向钢筋，对于墩柱来说，可以起到3个方面的作用：约束塑性铰区域内的混凝土，提高混凝土的抗压强度和延性；提高抗剪能力；防止纵向钢筋压曲。因此，箍筋或螺旋筋的间距小一些。各国抗震设计规范对塑性铰区横向钢筋的最小配筋率都进行了具体的规定。对于尺寸较大的墩柱，除须配置间距足够小的箍筋或螺旋筋外，还应配置横向加劲钢筋甚至是双层箍筋，以满足其对核心混凝土的套箍作用（如图1所示），以提高桥墩的延性，从而提高其地震作用下的稳健性。

其他构造

1支座

为保证桥梁刚度均衡，设计时应优先考虑采用等跨径、等墩高、等桥面宽度的结构形式。如不能满足，也可通过调整墩的截面形式和尺寸，或者调整支座等方法来改善桥墩的刚度均衡情况。其中，调整支座可能是最简单易行的办法，效果也很显著。当采用橡胶支座后，由墩和支座构成的串联体系的组合抗推刚度为：式中：kt是墩和支座的组合抗推刚度，kz和kp分别为橡胶支座的剪切刚度和桥墩的水平刚度。如地震作用下，桥墩仍处于弹性状态，其水平地震力就是按墩的组合抗推刚度的比例分配的，从上式可以看出，调整支座的刚度可以有效地改善桥的刚度均衡状况。

另外，如果地震设防烈度较高（超过8度），须考虑将支座设计成抗震支座，以达到减、隔震的目的。

2墩梁连接方式

一般情况下，桥墩跟上部结构之间，采用支座连接。但是，有些情况下，可以将抗推刚度较小的桥墩和上部结构固结来考虑，刚度较大的桥墩与上部结构之间通过支座连接。如此，一方面可以增加桥梁的整体稳定性，另一方面，也可以让桥墩之间的抗推刚度均衡。

3限位装置

对于桥墩刚度较小的情况，由于地震作用下的墩顶水平位移较大，限位装置是不可或缺的。横桥向的限位措施主要有剪力键和防震锚栓，纵向限位措施包括剪力键、防震锚栓、链索式和拉杆式限位器等（如图2所示）。限位装置应允许梁体在小范围内自由移动，该自由移动范围的大小一般以不影响支座的正常变形为宜。为减小碰撞力和碰撞损伤，限位器常在梁间和主梁与剪力键间设置橡胶等缓冲材料。

工程实例

1工程概况

云南某高速公路的互通立交区桥梁，位于平曲线半径42m的匝道上，超高0．08，最大纵坡5％，桥宽7．75m，设计采用3～20m现浇箱梁，下部结构采用桩径1．4m独柱墩，①号桥墩墩高8m，②号墩高13m。其立面图如图2所示。

原设计未进行概念设计。桥墩高度不同，而截面相同；未设限位装置。现将原设计做局部修改，增加防震销，桥墩截面随高度增加，使其抗推刚度接近一致。对该桥的原设计方案和按照本文前述内容进行修正后的方案进行地震响应分析，比较其地震响应的区别。

2有限元模型

取全桥为分析模型，主要分析纵桥向的地震响应。墩底为完全固结。根据桥址的场地土条特性，选用El－Centro波作为非线性时程分析地震输入，因该桥抗震设防烈度为8度，故将El－Centro波水平地震加速度峰值调至0．2g。计算模型如图3所示。3．3地震响应分析本文对优化前后的桥梁地震响应进行分析和比较。

设置限位装置之后的墩顶位移与原设计墩顶位移对比分析：①号墩仅有微小的变化，②号墩位移相比原来小了14．27％，抗震性能提高明显。可见，限位装置效果的体现对较高的柔性墩有明显的影响。

（2）统一桥墩抗推刚度后的影响（见表2）②号墩直径加大，使其刚度与①号墩一致，计算结果分析对比：桥墩底的内力均有不同程度的改善，其中②号墩改善最显著，墩底内力与墩顶位移均有大幅度的提高。

①号墩也有相对②号墩较小的变化。可见，让各墩的刚度尽量相等，对整座桥桥墩的内力和位移都有影响，优化之后的①、②号墩刚度趋向于一致，使全桥的内力分配更均匀，从而提高的桥梁的抗震性能。

结语

立交匝道桥由于其特殊性，在抗震设计中应予以特别关注。概念设计可以总体上把握桥梁的抗震性能，在桥梁抗震设计中起到指导性的重要作用。本文针对匝道桥梁的特点进行分析，工程实例，阐述了此类桥梁的抗震概念设计的重要理念和方法，算例结果表明，这些方法能够有效地改善匝道桥的抗震性能。