抗震設(shè)計是高地震烈度區(qū)橋梁設(shè)計的重點(diǎn)與難點(diǎn)，介紹了地震烈度超過九度的康定至新都橋高速公路康定過境試驗(yàn)段橋梁設(shè)計方法，通過改變上下部結(jié)構(gòu)型式、構(gòu)造尺寸，對比分析其抗震性能，提出了新的構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計方法，建立了適合超九度地震烈度區(qū)中小跨徑橋梁抗震設(shè)計體系和方法。

橋梁設(shè)計； 高烈度地震區(qū)； 抗震體系

U442.5+5A

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2023-03-14

［作者簡介］唐友明（1990—），男，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。

［通信作者］鄒茗地（1989—），男，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。

0" 引言

西南山區(qū)地形變化大、地質(zhì)條件復(fù)雜，部分地區(qū)地震烈度高，橋梁的抗震設(shè)計問題日益突顯。莊衛(wèi)林等［1-2］對汶川地震簡支橋梁震害進(jìn)行整理、分析，提出震害補(bǔ)強(qiáng)措施，對西部山區(qū)地震區(qū)簡支橋梁抗震設(shè)計提出了建議。張少勇等［3］研究了高地震烈度山嶺重丘區(qū)的橋梁設(shè)計，根據(jù)不同設(shè)計階段，給出橋梁設(shè)計的原則與要點(diǎn)。宋黎明等［4］對山區(qū)高烈度區(qū)某高速路雙薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁進(jìn)行抗震分析，提出了合理的抗震體系。位于山區(qū)高烈度區(qū)域的橋梁結(jié)構(gòu)，橋墩高度變化大，地形陡峭，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，材料運(yùn)輸困難，施工場地條件十分有限，相比平原丘陵地區(qū)橋梁抗震設(shè)計難度更大。因此，探索適應(yīng)山區(qū)復(fù)雜的地形地質(zhì)條件，研究施工便利、抗震性能好的中小跨徑橋梁構(gòu)造體系十分必要。本文以康定至新都橋高速公路康定過境試驗(yàn)段為工程背景，從上下部結(jié)構(gòu)型式、抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)、抗震構(gòu)造措施等多方面對康新路橋梁抗震體系進(jìn)行了分析，最終提出了適應(yīng)康新路超地震烈度九度的橋梁抗震體系。

1" 項目概況

四川省康定至新都橋高速公路是《國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013年—2030年）》G4218聯(lián)絡(luò)線“雅安—葉城”高速公路的組成部分，是《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2014—2030年）》成都至康定至西藏高速公路的組成部分，是內(nèi)地與藏區(qū)互聯(lián)互通的快速大通道。

項目從康定城區(qū)以南過境，路線起于康定城東升航村接雅康高速，設(shè)康定互通（圖1）接G318線，設(shè)跑馬山1號隧道至康定市救災(zāi)防災(zāi)應(yīng)急中心，設(shè)跑馬山2號隧道，后于榆林駟馬橋村設(shè)置康定榆林互通，路線止于康定南榆林新城，路線全長約18 km。橋梁主要分布于路線起點(diǎn)康定互通、跑馬山1號隧道與2號隧道間的跑馬山大橋以及路線止點(diǎn)康定榆林互通，主線橋梁寬度為24.5 m，匝道寬度為9～10.5 m，匝道最小平曲線半徑為56.5 m，互通區(qū)橋梁橋墩高度多在20～40 m范圍。

根據(jù)《中國地震動加速度反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》及《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》，康定的地震基本烈度為Ⅸ度。在本項目場地周圍大于150 km的區(qū)域包括巴顏喀拉山地震帶、龍門山地震帶、鮮水河—滇東地震帶和長江中游地震帶4個地震帶，包括了13個地震構(gòu)造區(qū)，共232個不同震級上限的潛在震源區(qū)。根據(jù)地震安評報告，本項目工程場地地震危險性概率分析結(jié)果如表1所示，從表1中可以看出對應(yīng)現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范，E2設(shè)防水準(zhǔn)，50年超越概率為2%，地震重現(xiàn)期2 000年，地震水平峰值加速度約為0.647～0.715g，此地震烈度已經(jīng)超越9度，地震破壞力極大。

2" 抗震分析模型

2.1" 有限元模型

本文采用有限元分析軟件MIDAS/Civil建立了橋梁抗震分析有限元模型，本文共建立4座橋梁抗震有限元分析模型，包括康定互通主線升航特大橋、康定互通I匝道橋、跑馬上2號大橋和康定榆林互通主線折多河大橋。上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)均采用梁單元模擬，橋梁樁-土結(jié)構(gòu)效應(yīng)采用土彈簧模擬，土彈簧剛度根據(jù)土體參數(shù)采用“m法”進(jìn)行計算。二期鋪裝采用單元荷載行模擬，作用于主梁上，墩柱和梁體的單元劃分反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際動力特性?；炷两Y(jié)構(gòu)的阻尼比取 0.05；進(jìn)行時程分析時，采用瑞利阻尼。橋面連續(xù)是簡支梁橋重要的抗震構(gòu)造，計算中必須模擬橋面連續(xù)的作用。簡支梁橋面連續(xù)是一種特殊的構(gòu)造，在順橋向上其具有較大的軸向剛度，在橫橋向上也具有強(qiáng)大的抗彎、抗剪剛度從而將各跨主梁連接為整體，但其豎向抗剪剛度和繞橫橋向的抗彎剛度卻很弱，幾乎不能傳遞豎向剪力和繞橫橋向彎矩。在模擬橋面連續(xù)時必須模擬出上述傳力特點(diǎn)。計算中采用梁單元模擬橋面連續(xù)，但放松梁端的豎向抗剪和繞橫橋向彎曲自由度（圖2）。

鐵路與公路唐友明， 鄒茗地： 山區(qū)高地震烈度區(qū)中小跨徑橋梁設(shè)計研究

2.2" 支座模擬

支座單元正確反映支座的力學(xué)特性，本項目抗震分析考慮的支座包括板式橡膠支座、盆式橡膠支座和高阻尼橡膠支座。模型中減隔震支座采用一般連接特性模擬，一般連接特性值參數(shù)（含屈服前剛度、屈服后剛度、屈服力）均按照J(rèn)T/T842-2012《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座》取值。盆式橡膠支座根據(jù)現(xiàn)行JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》為彈塑性模型，也采用一般連接特性模擬，減隔震支座采用滯后系統(tǒng)模擬，根據(jù)支座反力選定支座型號及JT/T842-2012《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座》確定支座的屈服前剛度、屈服荷載、屈服后剛度；四氟板橡膠支座也采用滯后系統(tǒng)模擬，屈服前剛度取為支座彈性剪切剛度、屈服力取為恒載支座反力的3%，屈服后剛度為屈服前剛度的0.1%；lockup采用主從約束模擬。

2.3" 地震動輸入與分析

本文采用非線性時程分析法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)反應(yīng)分析，根據(jù)橋梁分類和場地條件，橋梁非線性時程分析所采用的地震波是3條場地安全評估得出的地震波，峰值加速度為0.647g。現(xiàn)行規(guī)范要求，橋梁的時程分析應(yīng)該按照縱橋向加豎向地震動以及橫橋向加豎向地震動2種工況進(jìn)行加載。由于匝道橋平曲線線半徑較小，無法以整橋來加此兩種工況，根據(jù)JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》，進(jìn)行曲線橋梁地震反應(yīng)分析時，可分別沿相鄰兩橋墩連線方向和垂直于連線水平方向進(jìn)行多方向地震輸入（用曲梁單元時，只需計算一聯(lián)兩端連線（割線）和垂直割線方向的地震輸入），以確定最不利地震水平輸入方向（圖3）。

3" 抗震結(jié)構(gòu)分析

本項目主線和匝道橋梁墩高一般在10～40 m，橋梁跨徑也多為20～40 m；根據(jù)常規(guī)橋梁設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，橋梁抗震的重點(diǎn)分析對象為下部結(jié)構(gòu)，亦即通過采用優(yōu)化橋墩樁基尺寸，增加配筋率和配箍率，采用抗震支座等來提升橋梁抗震能力。因此，本文首先按照常規(guī)思路，上部結(jié)構(gòu)采用混凝土預(yù)制T梁，首先選取跑馬山2號大橋進(jìn)行計算分析，考慮4種不同的墩柱和樁基截面，跑馬山2號大橋采用10×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，共計兩聯(lián)，5號墩設(shè)伸縮縫，鋼筋混凝土實(shí)心圓墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋梁全長262 m，該橋平均墩高約15 m，全橋采用減隔震設(shè)計方案，支座采用HDR（Ⅱ）型高阻尼橡膠支座和四氟滑板支座。

本橋?yàn)锽類橋，采用減隔震設(shè)計，根據(jù)JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，橋墩、基礎(chǔ)均需按能力保護(hù)原則設(shè)計，橋墩可允許有限塑性，在E2地震作用下橋墩樁基可允許首次屈服，但不允許全截面屈服。根據(jù)時程分析結(jié)果，得到橋墩樁基截面的最不利軸力-彎矩，并以此受力狀態(tài)進(jìn)行截面配筋，使得截面配筋滿足規(guī)范要求，并認(rèn)為墩柱的頂截面和底截面配筋形式相同，配筋率曲線如圖4所示。

從圖4我們可以看出，采用減隔震設(shè)計，通過增加墩柱樁基直徑可以減少縱筋配筋率，通常圓柱墩和樁基單層縱筋配筋率約為1%，采用雙排并筋可使縱筋配筋率達(dá)到2%，若是縱筋配筋率高于2%，則施工時混凝土澆筑十分困難，因此，本橋上部結(jié)構(gòu)若采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，則墩柱樁基需采用2.2 m接2.5 m才能具備可施工性。我們可以看出，由于本項目地震烈度極高，采用常規(guī)抗震設(shè)計方法提升橋梁的綜合抗震性能效果較差，會導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)工程量和造價成倍增加，因此，勢必要綜合采取多種手段進(jìn)行抗震設(shè)計。

3.1" 上部結(jié)構(gòu)型式

抗震設(shè)計重點(diǎn)在于下部結(jié)構(gòu)設(shè)計，要減少下部結(jié)構(gòu)受力，則需要減輕上下部結(jié)構(gòu)重量，以減少墩柱樁基地震力。上部結(jié)構(gòu)采用組合梁和鋼箱梁都可以減輕上部結(jié)構(gòu)重量，一般情況下鋼箱梁、組合梁、混凝土梁的結(jié)構(gòu)重量依次增加，同時造價也依次增加，對于20～40 m跨徑橋梁采用組合梁具備較好的經(jīng)濟(jì)性，同時也能有效減輕上部結(jié)構(gòu)重量，本項目經(jīng)過反復(fù)計算優(yōu)化，采用如圖5所示的截面型式鋼箱-混凝土組合梁。

表2給出了本項目幾座典型橋梁上部結(jié)構(gòu)分別采用常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁和鋼箱-混凝土組合梁的重量與地震力作用下橋墩縱向最大彎矩值，從表中我們可以看出：①采用鋼箱組合梁可以減輕上部結(jié)構(gòu)重量31.7%～43.4%，同時減少橋墩縱向最大彎矩18.2%～44.3%，可大大減少縱筋配筋率；②上部結(jié)構(gòu)梁體重量對橋墩地震力的影響與墩高相關(guān)，橋墩內(nèi)力對梁體重量變化的敏感性隨著橋墩高度的增加而減弱，因此，對于橋墩高度不高的橋梁，減輕上部結(jié)構(gòu)重量可大大減少橋墩受力。同時，本項目小半徑曲線橋梁，變寬褲衩橋較多，采用鋼-混凝土組合梁受力性能更加優(yōu)越、制造安裝和施工更加方便。

3.2" 下部結(jié)構(gòu)型式

通過前文分析我們可以看到，通過增加墩柱樁基直徑、提高配筋率的方法來提升下部結(jié)構(gòu)的抗震能力性價比太低，將下部結(jié)構(gòu)輕型化才可有效降低下部結(jié)構(gòu)所受地震力，為此，選取折多河大橋進(jìn)行分析，該橋共設(shè)置4聯(lián)［3×25+3×30+（25+40+25）+3×20］ m，其中第1聯(lián)為等截面梁，梁寬12.6 m，第2聯(lián)與匝道相通，為變寬梁，第3聯(lián)為等截面梁，梁寬16.6 m，第4聯(lián)為變寬梁，梁寬由12.6 m變化至16.6 m。上部結(jié)構(gòu)采用混凝土梁現(xiàn)澆箱梁和鋼箱-混凝土組合梁2種，下部結(jié)構(gòu)采用不同墩柱直徑的圓柱墩和矩形空心墩，其中空心墩壁厚均為40 cm，具體參數(shù)見表3。

從圖6對比分析可以看到：①采用空心墩可以有效減輕橋墩重量，減少橋墩地震力，從而降低橋墩配筋率；②上部結(jié)構(gòu)采用混凝土梁，下部結(jié)構(gòu)采用空心墩，橋墩樁基配筋率在2%～6%，施工依然困難，而上部結(jié)構(gòu)改用鋼箱-混凝土組合梁，則可以使得橋墩樁基配筋率控制在2%以內(nèi)，具備施工可行性；③樁基采用群樁基礎(chǔ)，可以有效降低單樁地震力，降低樁基受力。采用空心墩不僅使得橋墩重量減輕，同時可節(jié)省混凝土用量。

從上述分析計算可以看出，對于超高地震烈度區(qū)橋梁抗震設(shè)計，采用單一手段難以使得橋梁滿足抗震受力要求，需要同時對上下部結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化才能提升有效提升橋梁抗震性能。

3.3" 構(gòu)造細(xì)節(jié)

為實(shí)現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)輕型化，除了采用空心墩，本項目還采用構(gòu)造細(xì)節(jié)以提升抗震性能：①一般橋墩，為減小蓋梁自重，采用蓋梁高度低、自重輕的預(yù)應(yīng)力“T”型蓋梁，對于高墩大跨徑門架墩，采用質(zhì)量較輕的鋼蓋梁以減小地震力；②中系梁采用厚度較薄的橫系板，作為地震耗能構(gòu)件；③為應(yīng)對橫向地震作用，對于窄橋優(yōu)先考慮拉大墩柱間距；對于縱向地震作用，對墩柱進(jìn)行放坡，增加墩底部縱向剛度。

3.4" 抗震體系

根據(jù)墩高的不同，采用不同的抗震體系設(shè)計方法。根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)橋梁墩高在30 m以下，且具有這些特點(diǎn)，宜采用減、隔震設(shè)計：①上部結(jié)構(gòu)多為連續(xù)梁形式，下部結(jié)構(gòu)剛度比較大，整個橋的基本振動周期比較短；②橋梁下部結(jié)構(gòu)高度變化不規(guī)則，剛度分配不均勻，引入隔震裝置可調(diào)節(jié)各橋墩剛度，因而可以避免剛度較大橋墩承擔(dān)慣性力很大的情況；③場地條件比較好，預(yù)期地面運(yùn)動特性具有較高的卓越頻率，長周期范圍所含能量較少等情況。

注：表中“200（變）”表示墩柱墩邊長為200cm×200cm，縱向按1∶80坡率設(shè)置變截面墩。

隔震支座選用減隔震橡膠支座，對于連續(xù)梁橋統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)置，通過阻尼支座的能力調(diào)整，最大限度的耗能后，調(diào)節(jié)各墩受力根據(jù)能力強(qiáng)弱分配相應(yīng)的地震作用，保證在地震發(fā)生時各個墩都能最大限度的發(fā)揮出抵抗作用。

3.5" 材料

抗震分析圍繞下部結(jié)構(gòu)展開，下部結(jié)構(gòu)除了采用空心墩，增加群樁基礎(chǔ)，還可提高橋墩混凝土強(qiáng)度等級采用C40混凝土，鋼筋可以采用HRB500E高強(qiáng)抗震鋼筋，在保持配筋率不變的情況下，提高橋墩樁基的抗力。

3.6" 抗震構(gòu)造措施

為了保證整體橋梁的抗震性能，防止發(fā)生落梁震害，采用限位措施。梁體限位主要由墩-梁連接裝置、梁-梁連接裝置、梁擱置長度等3部分組成，主要采用了下述構(gòu)造措施：

（1）橋墩橫橋向在蓋梁兩側(cè)分別設(shè)置鋼筋混凝土擋塊，擋塊與梁側(cè)設(shè)緩沖橡膠墊塊，擋塊至梁腹板凈距采用10 cm；縱橋向伸縮縫墩處每個箱室設(shè)置橡膠墊塊。橋臺在臺帽兩側(cè)分別設(shè)置鋼筋混凝土擋塊，在擋塊與梁腹板間設(shè)置橡膠墊塊；在每個箱室與背墻之間設(shè)置橡膠墊塊。

（2）在伸縮縫處設(shè)置連梁裝置（縱向防落緩沖鏈、防落梁拉桿等）以限制主梁位移，并設(shè)置橡膠防撞墊減小撞擊力。

（3）適當(dāng)對伸縮縫處蓋梁寬度及橋臺臺帽寬度進(jìn)行加大，增大梁端擱置長度，減小落梁概率。

4" 結(jié)束語

對于高地震烈度區(qū)橋梁設(shè)計，橋梁抗震設(shè)計是控制設(shè)計的關(guān)鍵因素，采用單一手段來提升橋梁抗震性能、滿足規(guī)范抗震要求是難以實(shí)現(xiàn)的。本文介紹了康定至新都橋高速公路康定過境試驗(yàn)段橋梁的抗震設(shè)計，建立了高烈度區(qū)中小跨徑橋梁抗震設(shè)計體系和方法，主要結(jié)論：

（1）對于高烈度區(qū)中小跨徑橋梁，減輕上部結(jié)構(gòu)重量可有效減少下部結(jié)構(gòu)橋墩樁基地震力，因此上部結(jié)構(gòu)梁體可采用組合梁或鋼箱梁；同時，上部結(jié)構(gòu)梁體重量對橋墩地震力的影響與墩高相關(guān)，橋墩內(nèi)力對梁體重量變化的敏感性隨著橋墩高度的增加而減弱，因此，對于橋墩高度不高的橋梁，減輕上部結(jié)構(gòu)重量可大大減少橋墩受力。

（2）由于地震烈度極大，通過增加墩柱樁基直徑，增加墩柱樁基配筋率的常規(guī)抗震設(shè)計方法來提升橋梁的綜合抗震性能效果較差，會導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)工程量和造價成倍增加，只有將下部結(jié)構(gòu)輕型化才是有效途徑。采用空心墩可以有效減輕橋墩重量，節(jié)省混凝土用量，減少橋墩地震力，從而降低橋墩配筋率；樁基采用群樁基礎(chǔ)，可以有效降低單樁地震力，降低樁基受力。

（3）優(yōu)化上下部結(jié)構(gòu)尺寸，采用輕型化T型蓋梁或鋼蓋梁，進(jìn)一步減少蓋梁對墩底地震力的貢獻(xiàn)；中系梁采用厚度較薄的橫系板，一方面可減輕下部結(jié)構(gòu)重量，同時也可作為地震耗能構(gòu)件。

（4）根據(jù)墩高，合理選擇抗震體系，一般對于低于30 m墩高的橋墩，宜采用減隔震設(shè)計，墩高大于30 m宜采用延性抗震設(shè)計。

（5）提升下部結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度，采用高標(biāo)號混凝土，高強(qiáng)抗震鋼筋，提高截面抗力。

（6）注重抗震構(gòu)造措施設(shè)計，采用限位措施，防止發(fā)生落梁震害。

參考文獻(xiàn)

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