张春轶；施立鑫；李岩（大连渤海检测有限公司，大连116021）
摘要：简要介绍日本单跨门式刚架桥的特点，通过抗震性能，解析方法，解析步骤，设计水平震度，地震土压系数等几方面对抗震设计进行了阐述。最后介绍了单跨门式刚架桥的适用条件。
关键词：门式刚架桥；日本；抗震设计方法；Pushover解析
中图分类号：TU99文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）09-0043-02
0引言
近几年，日本桥梁建设业越来越重视在设计阶段就充分考虑桥梁的耐久性，抗震性，经济性和日后维修管理的问题。在此背景下，日本土木研究所等研究机构一直以来对可缩减成本的合理化桥梁的构造形式进行广泛而深入地研究。在研究结果之中证明，门型刚架桥是一种具有优良的耐久，抗震性能，又能减低造价成本，易于维护管理的桥梁形式。近几年日本门型刚架桥工程实例越来越多。本文将主要对单跨门式刚架桥抗震设计进行介绍。
1单跨门式刚架桥的特点
单跨门式刚架桥是桥台背面承受土压力，桥梁上部结构和下部结构刚结在一起，省略支承和伸缩装置的单跨径框架桥梁形式。上部构造又分为混凝土，预应力混凝土和钢构造。
1.1优点抗震性能优良：与单纯简支结构相比，因上部构造和下部构造刚结，地震时的下部构造变形被上部构造约束，产生的变形和断面力非常小。即使构造中的一部达到屈服状态，但应力重新再分配仍可保持足够的抗力。另外，因单跨门式刚架桥不使用支承装置，上部构造不会从桥台上脱落。
降低造价成本：在日本，具有高抗震性能的支承建设成本一般占上部构造总成本的10%以上。因单跨门式刚架桥不使用支承，以及桥头伸缩缝装置和落桥防止装置，因此总体成本大幅度降低。
维修管理容易：一般桥梁的支座，伸缩缝装置都需要定期维护，又需要一定的费用。而对于单跨门式刚架桥却不需要对支座，伸缩缝装置的维护。在寒冷地区也不必担心冬季的融雪剂对支承，伸缩装置的腐蚀。
跨中截面减小：由于上，下部构造之间采用刚结，在竖向荷载作用下，上部构造端部将产生负弯矩，从而减小了跨中的正弯矩，跨中截面尺寸可相应减小。
1.2缺点产生二次应力；上部构造的变形受到下部构造的制约，温度变化，干燥收缩，徐变，预应力产生二次应力。
计算过程繁琐；与单纯简支结构的桥台相比，下部构造的设计荷载，也要考虑上部构造的温度变化，干燥收缩，预应力产生的不静定力。荷载组合的数量大大增加。
铺装易生裂缝：随着温度变化产生上部工主桁的伸缩，使桥台发生水平移动。桥台与背后回填土发生相对位移，铺装面变形集中，易产生表面裂缝。
2单跨门式刚架桥的抗震设计
2.1抗震性能与解析方法因刚架桥损伤后不易修复，无论桥梁重要度是几级，都要满足抗震性能2（桥梁有限的破坏不影响桥梁使用功能的迅速恢复）的设计要求。对于刚架桥来说，结构体系单一，主要发生塑性区域明确，特定的振型显著，因此适用于加载显著振型相当静的地震力的桥梁全体系非线性静力解析方法。非线性静力解析方法是对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法。也称为Pushover解析法。
2.2解析模型，是地震水平的加载力是从左至右。解析计算需要沿着顺桥方向的正，反两方向进行加载，对两方向的解析结果取危险侧进行验算。主要塑性区的桥台上下端共设4个塑性铰定义为非线性，次要塑性区的桩基础定义为非线性，桥台承台和上，下部构造结合处定义为刚性结构，其它构件定义为线性结构。对于加震方向抵抗的桥台背面土和桩基础周围土定义非线性弹簧支承。
2.3极限状态与抗震性能验算解析模型水平方向逐级加载，达到地震时设计水平震度时，对各结构的状态不得超过各结构的极限状态进行抗震性能验算（见表1）。桥梁全体系的降伏定义为塑性铰中其中之一达到降伏弯矩时的状态；终局定义为塑性铰中其中之一达到终局弯矩时的状态。
2.4设计水平震度单跨门式刚架桥因地震时受到背面土振动的影响，桥台的惯性力和地震时土压计算用的设计水平震度按照地基的设计水平震度来计算。而并不是桥墩躯体使用的设计水平震度。
设计水平震度khA＝CA·khg（1）
式中，CA：桥台基础设计水平震度修正系数（CA＝1.0）；khg：地基设计水平震度khg＝CZ·khg0；Cz：地域别修正系数；Cz＝1.0；0.85；0.7（地域A；B；C）；khg0：地基设计水平震度标准值；khg0＝0.80；0.70；0.60（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ种地盘）。
2.5解析步骤由于结构本身的自重和静止时土压的存在，分以下2步骤进行加载解析。
2.5.1第一步：初期解析。加载荷载为：①上部构造，下部构造，附属物自重；②桥台背面土自重；③上载土自重；④背面土地震时土的初期解析成分。以上荷载加载，解析计算所得断面力和应变作为初期值加载到下一步解析计算中。
2.5.2第二部：地震时解析。加载荷载为：①上部构造,下部构造,附属物惯性力；②桥台背面土惯性力；③上载土惯性力；④背面土地震时土的地震时解析成分。水平方向逐级加载，达到地震时设计水平震度时，结束加载。
随着水平震度的不断增大与桥台躯体和桩基础发生变形逐渐加大，当桥台躯体塑性铰其中之一达到终局弯矩时认为刚架桥整体达到终局状态。而设计水平震度khA并没有超过降伏时的水平震度ky。
ky0：躯体塑性铰位置最初降伏的水平震度；ky：躯体降伏时的水平震度；ku：躯体终局时的水平震度；δ0：khA=0时地震主动土压力产生的上部构造惯性力作用位置的水平变位；δy：桥台躯体达到降伏震度ky时上部构造惯性力作用位置的水平变位；δu：桥台躯体达到终局震度ku时上部构造惯性力作用位置的水平变位。
2.6地震土压系数地震时主动土压系数KEA是一个与设计水平震度khA相关的函数。通常桥台背面土土质为砂质土，桥台壁面摩擦角的适用条件为土和土，根据修正物部·部法得出以下公式。
KEA＝0.26＋0.97khA（2）
在这里，0.26就是初期解析的地震土压系数，0.97khA就是地震时解析的地震土压系数。
3单跨门式刚架桥的适用条件
3.1施工条件因为上下部构造在现场施工，必须要有良好的施工条件。因此，在河川等架设脚手架困难的条件下不适用。
3.2跨径长，下部构造刚性由于温度变化，干燥收缩产生的变形、全部由下部构造吸收，对跨径长、下部构造刚性就有了制约条件。一般跨径长最大在50-60m左右，桥高在8-10m以上为合适。
3.3斜角，曲线的制约对于斜角大或者是曲线桥，上下部构造的刚结合部的应力特性复杂，裂纹的产生的不确定性，以及桥台背后会产生偏向土压的问题，因此单跨门式刚架桥通常在直线桥上设计，根据以往的工程实际最大斜角不宜超过75°。
3.4地质条件由于是上下部一体的构造形式，基础的沉陷会对上部构造造成影响。因此，在软弱的地基上不适于单跨门式刚架桥。
4结语
日本土木研究所对单跨门型刚架桥深入的调查和研究，已经制定出了统一设计方法的基本事项和标准试行方案。通过以上对日本单跨门式刚架桥的抗震设计的介绍，表明此方法是充分考虑了上下部结构整体的弹塑性能和周边土的弹塑性能，对各结构进行指标验算的抗震设计方法。虽然目前还是一种试行方案，但在实际设计中已经开始使用。
另外在设计上还有许多有待探讨研究的课题。比如斜角的影响，地基液化的影响，桥台耳墙刚性的影响等等。日本土木研究所也正在对前面的课题积极地进行着研究活动。通过以上介绍希望能够开阔我国桥梁工程技术人员的视野，在合理条件下，大力推广具有优良耐久性，抗震性，经济性的单跨门型刚架桥在国内桥梁工程中的使用。
参考文献：
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