曹珊珊 莊慶泰 閆曉宇

(1.國家開放大學(xué),北京 100039;2.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100195)

0 引 言

在全新地質(zhì)時期內(nèi)發(fā)生過地震活動,且在今后100年內(nèi)仍有可能繼續(xù)發(fā)生活動的地質(zhì)斷裂構(gòu)造被稱為全新活動斷裂,由于構(gòu)造的復(fù)雜性和地震的不可預(yù)測性,已成為影響公路建設(shè)和運營安全的最重要地質(zhì)因素,國內(nèi)外學(xué)者對跨活動斷裂帶的橋梁抗震設(shè)計和減隔震措施設(shè)計均開展詳細(xì)的研究。章吉青對“廣州-從化斷裂”進(jìn)行研究,提出斷裂帶地震發(fā)生時可能會出現(xiàn)局部砂土液化,并產(chǎn)生較大的垂直沉降,需在橋梁設(shè)計時重點考慮[1];王統(tǒng)寧等研究分析橋梁在非線性時程下的三維地震響應(yīng),發(fā)現(xiàn)隔震支座在近斷層長周期脈沖型地震動激勵下的減震效果會有所降低,提出近斷層區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)不宜采用鉛芯橡膠支座[2];Goel等引入三個評估跨活動斷裂橋梁的抗震目標(biāo)及結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后的非線性分析方法,并用這些方法來評估跨活動斷裂橋梁的彈、塑性抗震需求[3];劉闖等歸納總結(jié)了海南鋪前大橋和希臘Rion-Antirion大橋的抗震設(shè)計及減隔震措施[4]。國內(nèi)外目前未形成關(guān)于跨活動斷裂帶橋梁的通用抗震設(shè)計方法。

2014年8月3日云南魯?shù)榘l(fā)生6.5級地震,主要涉及魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)、火德紅鎮(zhèn)和巧家縣包谷垴鄉(xiāng),在該區(qū)域建造公路橋梁需要重點考慮跨越活動斷裂帶的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計問題。本文以跨越云南魯?shù)榈卣鹬鲾嗔褞А褒垬?猴子坡斷裂”的橋梁為研究對象,在分析橋位區(qū)地震構(gòu)造特征和大橋抗震設(shè)防要求基礎(chǔ)上,通過全面調(diào)研國內(nèi)外規(guī)范細(xì)則和研究成果,從橋梁抗震概念設(shè)計、減隔震設(shè)計和防落梁系統(tǒng)設(shè)計三方面給出營盤大橋的設(shè)計思路和具體抗震措施。

1 工程概況

1.1 場地位置及地形地貌

以跨越魯?shù)榈卣鹬鲾嗔褞А褒垬?猴子坡斷裂”的云南營盤大橋作為研究對象。橋梁位于魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn),橋位區(qū)橫跨越龍泉河,地貌單元屬構(gòu)造剝蝕中山地貌山間“U”型河谷地貌。橋址區(qū)全貌圖如圖1所示。

圖1 橋址區(qū)全貌Fig.1 General view of bridge site area

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域地質(zhì)資料顯示橋位區(qū)構(gòu)造較復(fù)雜,橫跨“龍樹-猴子坡斷裂”,該斷裂為昭通斷裂帶的分支,形成昭通斷裂帶的反向逆沖斷層[5],整體長度大約90 km,整體呈現(xiàn)35°～40°走向。橫跨該斷層陡坎開挖探槽見圖2,從斷層與地層的相互關(guān)系來看,探槽至少揭露了3次地震事件,綜合判定龍樹斷裂為全新世活動斷裂。研究推測龍樹斷裂右旋逆沖引起的右旋垂直方向最大位錯約0.8 m,水平方向最大位錯約2.5 m,未來百年內(nèi)垂直位錯約0.1 m,水平位錯約0.4 m。

a—探槽剖面實景;b—地質(zhì)剖面解析。① 褐色、深褐色砂土層;② 土黃色砂層,可見較多小礫石;③ 土黃色砂層,含有淤泥團(tuán)塊及小礫石;④ 暗褐色砂層,含有較多的淤泥團(tuán)塊;⑤ 黑色、暗灰淤泥層;⑥ 土黃色砂層,含有小礫石。圖2 地質(zhì)探槽開挖剖面Fig.2 Excavation trenching profile

采用高密度電法,進(jìn)行物探勘察長度630 m,根據(jù)左右線的視電阻率等值剖面進(jìn)行綜合分析,深度50 m,電阻率范圍變化較大,在剖面中部存在一低阻異常帶,推測該處存在斷層如圖3所示。

圖3 橋位區(qū)地質(zhì)物探Fig.3 Geological exploration in the bridge area

1.3 橋梁抗震設(shè)防要求

營盤大橋橋位地形起伏平緩,覆蓋層較厚,主要覆蓋第四系沖洪積(Q4al+pl)碎石土,分布范圍較大。橋址區(qū)未見崩塌、危巖、泥石流等其他不良地質(zhì)現(xiàn)象;橋位區(qū)中部橫跨“龍樹-猴子坡斷裂”,巖層破碎,需要加強(qiáng)此段的橋墩抗震設(shè)計,橋梁基礎(chǔ)采用嵌巖樁。

橋址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度,地震動反應(yīng)譜特征周期0.45 s,地震動峰值加速度為0.20g,橋址區(qū)覆蓋層厚度≥5 m,結(jié)合地勘波速試驗綜合判定場地土為中硬土、場地類別為Ⅱ類。

由于近活動斷裂地震動包含了遠(yuǎn)場記錄不具有的特性,在震害區(qū)域具有集中性,主要呈現(xiàn)為較長周期的高能高幅值脈沖運動,地震波速度增量極高,對地表破裂和地面永久變形顯著等特點[6]。與常規(guī)橋梁抗震設(shè)計不同,跨越斷裂帶的營盤大橋抗震分析需要開展高地震烈度區(qū)的抗震設(shè)計,分析活動斷裂常年累積的斷裂位錯量對結(jié)構(gòu)的影響,以及活動斷裂在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的斷裂位錯量對結(jié)構(gòu)的影響。

2 抗震概念設(shè)計

2.1 橋軸線與斷層跡線交角

對于位于斷層區(qū)附近的橋梁,斷層錯動將會增大主梁與下部結(jié)構(gòu)之間的相對順橋向位移,導(dǎo)致發(fā)生順向的落梁災(zāi)害,如表1所示。

表1 1999年臺灣集集地震中6座發(fā)生落梁的簡支梁橋[7-8]Table 1 Six simply-supported girder bridges with falling girders in the 1999 Taiwan Jiji earthquake

日本規(guī)范《鐵道構(gòu)造物等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及解說——抗震設(shè)計》建議橋梁軸向應(yīng)當(dāng)避免與活動斷層斜交或平行斷層線,以免震后橋墩發(fā)生剪切破壞及減少地震錯動量對橋梁結(jié)構(gòu)的影響范圍[9]。營盤大橋采用直線橋,縱橋向與地震主斷裂帶近乎直交。

2.2 橋梁形式選擇

目前經(jīng)過已發(fā)生的高烈度地震的震害研究驗證,各類橋梁結(jié)構(gòu)形式均不能抵抗活動斷層地表1 m以上的錯動[10],本文重點考慮橋梁的整體抗震性能、震后修復(fù)和經(jīng)濟(jì)性、規(guī)范建議和實際工程的注意事項,對比橋梁結(jié)構(gòu)形式如表2所示,其中配合相關(guān)適用措施的簡支梁橋應(yīng)用最為廣泛。

表2 橋梁形式比對Table 2 Comparisons of bridge types

在對比基礎(chǔ)上,按照J(rèn)TG B02—2013《公路工程抗震規(guī)范》[11]和JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》[12],營盤大橋設(shè)防類別屬于B類大橋,考慮跨越活動斷裂,宜采用跨徑較小、便于修復(fù)的結(jié)構(gòu)。考慮活動斷裂的地震錯位位移會引起超靜定結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力,并導(dǎo)致逐年累加,影響結(jié)構(gòu)性能,優(yōu)先選用靜定結(jié)構(gòu)簡支梁橋型。綜合考慮各國規(guī)范對下部結(jié)構(gòu)與斷層線的避讓距離(表3)的相關(guān)要求,以及不同橋型對應(yīng)的跨斷層跨徑兩方面的因素,營盤大橋選擇20 m跨徑、結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)的預(yù)制T梁。

3 減隔震設(shè)計

根據(jù)AASHTO規(guī)范[17]中提到的彈性體系設(shè)計、延性體系設(shè)計、減隔震體系設(shè)計三類抗震設(shè)計策略,營盤大橋通過設(shè)置減隔震裝置延長周期,增大阻尼以耗散能量。與延性設(shè)計相比,減隔震設(shè)計可避免墩的損傷,簡化震后修復(fù)工作,更換支座即可完成。同時,減隔震設(shè)計中下部結(jié)構(gòu)均保持在彈性范圍內(nèi),基礎(chǔ)無需采取加強(qiáng)措施,更加經(jīng)濟(jì)。

3.1 減隔震裝置選擇

為了考慮保證結(jié)構(gòu)正常受力、滿足結(jié)構(gòu)正常伸縮變形,根據(jù)JTG/T 2231-01—2020[12]和CJJ 166—2011《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》[18]對比三種整體型減隔震裝置特點,如表4所示。

表4 整體型減隔震裝置比對Table 4 Comparisons of integral damping isolation devices

對于跨斷層的營盤大橋,設(shè)計時應(yīng)考慮發(fā)生超預(yù)期地震的可能性,當(dāng)發(fā)生超預(yù)期地震時,考慮高阻尼橡膠支座的“應(yīng)變硬化”現(xiàn)象,隨著剪切變形的增大支座剛度變大,墩梁之間約束變強(qiáng),相對變位減小,從而能有效防止落梁災(zāi)害的發(fā)生。因此本橋采用高阻尼橡膠支座。

根據(jù)我國CECS 126—2001《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[19]規(guī)定,本橋支座噸位選為恒載加最不利活載支反力的1.5倍,橡膠支座承載應(yīng)力按10 MPa控制。參考JT/T 842—2012《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座》[20],選用圓形HDR(I)-D370×177-G1.0型高阻尼隔震橡膠支座,在支座達(dá)到試驗剪應(yīng)變175%時,其力學(xué)參數(shù)見表5。

表5 高阻尼隔震橡膠支座力學(xué)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值Table 5 Standard values of mechanical parameters of high damping isolation rubber bearing

3.2 支座布置

支座布置形式包括橋墩和橋臺的支座布置,根據(jù)AASHTO規(guī)范[17],建議有抗震要求的橋梁應(yīng)盡可能采用冗余系統(tǒng),確保在各種荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的完整性,使墩柱能夠抵抗地震力,特別在不考慮橋臺抗力時,保證橋梁抵抗地震力和位移的能力。即將橋臺作為橋梁結(jié)構(gòu)抗震的安全儲備。我國CJJ 166—2011[18]中明確規(guī)定不宜將橋臺作為抵抗梁體地震慣性力的構(gòu)件。營盤大橋橋臺處采用活動支座,支座布置方案見表6。

表6 支座布置方案Table 6 Support arrangement schemes

4 防落梁系統(tǒng)設(shè)計

對橋梁而言,在地震發(fā)生后,如何使其盡快恢復(fù)使用功能,是近幾年來引起地震工程界密切關(guān)注與廣泛討論的問題[21]。國內(nèi)外學(xué)者對落梁震害大量調(diào)查及研究表明,上下部結(jié)構(gòu)相對位移過大是導(dǎo)致落梁的根本原因[20-22],可以從給予上、下部結(jié)構(gòu)足夠大的相對位移空間,以及限制上下部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大相對位移兩個方面解決落梁問題[23-25]。目前各國規(guī)范中提及的防落梁系統(tǒng)設(shè)計包括給定最小搭接長度,安裝防落梁裝置,包括限位裝置、連梁裝置等。

4.1 搭接長度

根據(jù)AASHTO規(guī)范[17],對于A、B、C類抗震等級的橋梁,最小搭接長度的經(jīng)驗公式如下：

N=(8+0.02L+0.08H)(1+0.000 125S2)

(1)

式中：N為垂直于支座中心線的最小搭接長度,in;L為主梁跨徑,ft;S為支承斜交角,(°);H為橋墩高度,ft。

根據(jù)JTG/T 2231-01—2020[12]條文,梁端與墩柱的搭接長度最小值a：

a≥50+0.1L+0.8H+0.5Lk

(2)

對于一聯(lián)多跨橋梁,L為上部結(jié)構(gòu)總長度,m;H為所有橋墩的平均高度,m;Lk為最大單孔跨徑,m。

計算得到AASHTO規(guī)范給出的公式較國內(nèi)規(guī)范計算的偏安全,營盤大橋主梁與蓋梁單側(cè)搭接長度最小為85 cm,最終設(shè)計考慮1.3倍富余系數(shù),單側(cè)搭接長度取為110 cm,蓋梁采用T形截面設(shè)計;橋臺搭接長度最小取為61 cm,橋臺搭接長度最終取為70 cm。

同時為滿足地震作用下縱橋向位移需求,相鄰上部結(jié)構(gòu)之間在橋臺、橋墩等處設(shè)置伸縮縫,預(yù)留足夠的間隙,營盤大橋中采用大尺寸伸縮縫適應(yīng)地震作用下的水平位移。

4.2 橫向擋塊

橫橋向防落梁擋塊是限位裝置的一種形式,設(shè)置時需要滿足支座的正常變形,在整個地震激勵過程中,橋墩處隔震支座最大橫向變形為18 cm,本橋擋塊間隙最終取為20 cm,且擋塊內(nèi)側(cè)中心線位置設(shè)置30 cm×30 cm×5 cm的橡膠墊塊。在橫向系統(tǒng)設(shè)置了抗震橫向擋塊,在橫向擋塊與不同的梁端之間系統(tǒng)設(shè)置了緩沖橡膠墊塊,擋塊布置如圖4所示。

a—立面布置;b—平面布置;c—現(xiàn)場布置。圖4 T梁簡支處墊石及擋塊布置Fig.4 Arrangements of T-beam rock pads and blocks at simple support

根據(jù)GB 50011—2010[15]中短柱的定義,本橋擋塊高寬比取2.3,其中高度為70 cm,擋塊底部橫橋向厚度為30 cm。橫向鋼筋采用封閉箍筋構(gòu)造,且為了抵抗擋塊與蓋梁節(jié)點處的剪應(yīng)力,防止出現(xiàn)貫穿蓋梁的剪切斜裂縫,將擋塊箍筋的設(shè)置范圍延伸進(jìn)蓋梁,其延伸長度不小于擋塊的橫橋向厚度。

4.3 縱向緩沖鏈

縱橋向的防落梁連接裝置中,以防震錨栓和在梁臺或墩梁之間設(shè)置拉桿兩種抗震措施為主,兩者作用機(jī)理和優(yōu)缺點比對如表7所示。

表7 整體型減隔震裝置比對Table 7 Comparisons of integrated-type vibration isolation devices

根據(jù)以上分析,根據(jù)“多道防線、分級耗能”的設(shè)計理念和原則,營盤大橋主梁除了在橫橋向系統(tǒng)設(shè)置抗震擋塊外,為防止在超預(yù)期地震作用下主梁沿縱橋向發(fā)生落梁,在縱橋向的主梁和蓋梁之間設(shè)置了防落梁緩沖鏈(圖5),確保達(dá)到“大震不倒”的目標(biāo)。

圖5 防落鏈結(jié)構(gòu)示意Fig.5 A schematic diagram of anti-falling chain structure

我國現(xiàn)行的JTG/T 2231-01—2020[12]提到防落鏈措施的概念,對其設(shè)計參數(shù)沒有量化的規(guī)定;參考日本規(guī)范《道路橋示方書·同解說V耐震設(shè)計篇》對防落鏈參數(shù)的規(guī)定：

HF=1.5Rd

(3a)

SF=CFSE

(3b)

式中：HF為防止落梁構(gòu)造的設(shè)計地震力;Rd為支座恒載反力;SF為設(shè)計最大位移;CF為設(shè)計變位系數(shù),取0.75;SE為主梁擱置長度。計算防落鏈的規(guī)格及設(shè)計參數(shù)如表8所示。

表8 防落鏈規(guī)格及基本參數(shù)Table 8 Specification and basic parameters of anti-falling chain

5 結(jié)束語

跨越活動斷裂帶的橋梁抗震設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性問題,以橋位處的地質(zhì)構(gòu)造研究為基礎(chǔ),針對活動斷裂帶的特殊性分析其對結(jié)構(gòu)的影響,根據(jù)“多道防線、分級耗能”的抗震概念設(shè)計,從橋位選擇、橋型選擇、減隔震裝置和防落梁系統(tǒng)設(shè)計等方面給出跨斷裂帶橋梁的獨特抗震設(shè)計路徑和措施。跨越魯?shù)榈卣鹬鲾嗔褞А褒垬?猴子坡斷裂”的營盤大橋在抗震設(shè)計中的設(shè)計思路和具體抗震措施如下：

1) 為避免震后橋墩發(fā)生剪切破壞、減少地震錯動量對橋梁結(jié)構(gòu)的影響范圍,營盤大橋采用直線橋,縱橋向與地震主斷裂帶近乎直交;綜合考慮橋梁的整體抗震性能、震后修復(fù)和經(jīng)濟(jì)性以及下部結(jié)構(gòu)與斷層線的避讓距離等因素,橋梁選擇結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)的20 m預(yù)制T梁。

2) 為避免橋墩的地震損傷,簡化震后修復(fù)工作,采用具有“應(yīng)變硬化”現(xiàn)象的高阻尼橡膠支座作為減隔震裝置,同時按照墩柱抵抗全部地震力,橋臺作為安全儲備的思路進(jìn)行減隔震支座部署和抗震設(shè)計。

3) 根據(jù)“多道防線、分級耗能”的設(shè)計理念和原則,營盤大橋防落梁系統(tǒng)考慮了主梁與蓋梁以及橋臺搭接長度,橫向擋塊和橡膠墊塊,以及連接蓋梁和主梁的防落梁緩沖鏈三部分的設(shè)計,確保達(dá)到“大震不倒”的目標(biāo)。