山區高地震烈度區中小跨徑橋梁設計研究

抗震設計是高地震烈度區橋梁設計的重點與難點，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段橋梁設計方法，通過改變上下部結構型式、構造尺寸，對比分析其抗震性能，提出了新的構造細節設計方法，建立了適合超九度地震烈度區中小跨徑橋梁抗震設計體系和方法。

橋梁設計； 高烈度地震區； 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，從事橋梁設計工作。

［通信作者］鄒茗地（1989—），男，碩士，工程師，從事橋梁設計工作。

0" 引言

西南山區地形變化大、地質條件復雜，部分地區地震烈度高，橋梁的抗震設計問題日益突顯。莊衛林等［1-2］對汶川地震簡支橋梁震害進行整理、分析，提出震害補強措施，對西部山區地震區簡支橋梁抗震設計提出了建議。張少勇等［3］研究了高地震烈度山嶺重丘區的橋梁設計，根據不同設計階段，給出橋梁設計的原則與要點。宋黎明等［4］對山區高烈度區某高速路雙薄壁高墩連續剛構橋梁進行抗震分析，提出了合理的抗震體系。位于山區高烈度區域的橋梁結構，橋墩高度變化大，地形陡峭，地質災害頻發，材料運輸困難，施工場地條件十分有限，相比平原丘陵地區橋梁抗震設計難度更大。因此，探索適應山區復雜的地形地質條件，研究施工便利、抗震性能好的中小跨徑橋梁構造體系十分必要。本文以康定至新都橋高速公路康定過境試驗段為工程背景，從上下部結構型式、抗震構造細節、抗震構造措施等多方面對康新路橋梁抗震體系進行了分析，最終提出了適應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《國家公路網規劃（2013年—2030年）》G4218聯絡線“雅安—葉城”高速公路的組成部分，是《四川省高速公路網規劃（2014—2030年）》成都至康定至西藏高速公路的組成部分，是內地與藏區互聯互通的快速大通道。

項目從康定城區以南過境，路線起于康定城東升航村接雅康高速，設康定互通（圖1）接G318線，設跑馬山1號隧道至康定市救災防災應急中心，設跑馬山2號隧道，后于榆林駟馬橋村設置康定榆林互通，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，互通區橋梁橋墩高度多在20～40 m范圍。

根據《中國地震動加速度反應譜特征周期區劃圖》及《中國地震動峰值加速度區劃圖》，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個地震構造區，共232個不同震級上限的潛在震源區。根據地震安評報告，本項目工程場地地震危險性概率分析結果如表1所示，從表1中可以看出對應現行抗震設計規范，E2設防水準，50年超越概率為2%，地震重現期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。上部結構與下部結構均采用梁單元模擬，橋梁樁-土結構效應采用土彈簧模擬，土彈簧剛度根據土體參數采用“m法”進行計算。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構的實際動力特性。混凝土結構的阻尼比取 0.05；進行時程分析時，采用瑞利阻尼。橋面連續是簡支梁橋重要的抗震構造，計算中必須模擬橋面連續的作用。簡支梁橋面連續是一種特殊的構造，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。在模擬橋面連續時必須模擬出上述傳力特點。計算中采用梁單元模擬橋面連續，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： 山區高地震烈度區中小跨徑橋梁設計研究

2.2" 支座模擬

支座單元正確反映支座的力學特性，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（含屈服前剛度、屈服后剛度、屈服力）均按照JT/T842-2012《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座》取值。盆式橡膠支座根據現行JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設計規范》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模擬，根據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構進行地震響應反應分析，根據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。現行規范要求，橋梁的時程分析應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JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設計規范》，進行曲線橋梁地震反應分析時，可分別沿相鄰兩橋墩連線方向和垂直于連線水平方向進行多方向地震輸入（用曲梁單元時，只需計算一聯兩端連線（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" 抗震結構分析

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；根據常規橋梁設計經驗，橋梁抗震的重點分析對象為下部結構，亦即通過采用優化橋墩樁基尺寸，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，本文首先按照常規思路，上部結構采用混凝土預制T梁，首先選取跑馬山2號大橋進行計算分析，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預應力混凝土T梁，共計兩聯，5號墩設伸縮縫，鋼筋混凝土實心圓墩，鉆孔灌注樁基礎，橋梁全長262 m，該橋平均墩高約15 m，全橋采用減隔震設計方案，支座采用HDR（Ⅱ）型高阻尼橡膠支座和四氟滑板支座。

本橋為B類橋，采用減隔震設計，根據JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設計規范》規定，橋墩、基礎均需按能力保護原則設計，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。根據時程分析結果，得到橋墩樁基截面的最不利軸力-彎矩，并以此受力狀態進行截面配筋，使得截面配筋滿足規范要求，并認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，本橋上部結構若采用預應力混凝土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，采用常規抗震設計方法提升橋梁的綜合抗震性能效果較差，會導致下部結構工程量和造價成倍增加，因此，勢必要綜合采取多種手段進行抗震設計。

3.1" 上部結構型式

抗震設計重點在于下部結構設計，要減少下部結構受力，則需要減輕上下部結構重量，以減少墩柱樁基地震力。上部結構采用組合梁和鋼箱梁都可以減輕上部結構重量，一般情況下鋼箱梁、組合梁、混凝土梁的結構重量依次增加，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濟性，同時也能有效減輕上部結構重量，本項目經過反復計算優化，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構分別采用常規預應力混凝土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構重量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上部結構梁體重量對橋墩地震力的影響與墩高相關，橋墩內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，減輕上部結構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越、制造安裝和施工更加方便。

3.2" 下部結構型式

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構的抗震能力性價比太低，將下部結構輕型化才可有效降低下部結構所受地震力，為此，選取折多河大橋進行分析，該橋共設置4聯［3×25+3×30+（25+40+25）+3×20］ m，其中第1聯為等截面梁，梁寬12.6 m，第2聯與匝道相通，為變寬梁，第3聯為等截面梁，梁寬16.6 m，第4聯為變寬梁，梁寬由12.6 m變化至16.6 m。上部結構采用混凝土梁現澆箱梁和鋼箱-混凝土組合梁2種，下部結構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上部結構采用混凝土梁，下部結構采用空心墩，橋墩樁基配筋率在2%～6%，施工依然困難，而上部結構改用鋼箱-混凝土組合梁，則可以使得橋墩樁基配筋率控制在2%以內，具備施工可行性；③樁基采用群樁基礎，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橋梁抗震設計，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構型式進行優化才能提升有效提升橋梁抗震性能。

3.3" 構造細節

為實現下部結構輕型化，除了采用空心墩，本項目還采用構造細節以提升抗震性能：①一般橋墩，為減小蓋梁自重，采用蓋梁高度低、自重輕的預應力“T”型蓋梁，對于高墩大跨徑門架墩，采用質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，作為地震耗能構件；③為應對橫向地震作用，對于窄橋優先考慮拉大墩柱間距；對于縱向地震作用，對墩柱進行放坡，增加墩底部縱向剛度。

3.4" 抗震體系

根據墩高的不同，采用不同的抗震體系設計方法。根據計算結果，當橋梁墩高在30 m以下，且具有這些特點，宜采用減、隔震設計：①上部結構多為連續梁形式，下部結構剛度比較大，整個橋的基本振動周期比較短；②橋梁下部結構高度變化不規則，剛度分配不均勻，引入隔震裝置可調節各橋墩剛度，因而可以避免剛度較大橋墩承擔慣性力很大的情況；③場地條件比較好，預期地面運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坡率設置變截面墩。

隔震支座選用減隔震橡膠支座，對于連續梁橋統一進行設置，通過阻尼支座的能力調整，最大限度的耗能后，調節各墩受力根據能力強弱分配相應的地震作用，保證在地震發生時各個墩都能最大限度的發揮出抵抗作用。

3.5" 材料

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

3.6" 抗震構造措施

為了保證整體橋梁的抗震性能，防止發生落梁震害，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，主要采用了下述構造措施：

（1）橋墩橫橋向在蓋梁兩側分別設置鋼筋混凝土擋塊，擋塊與梁側設緩沖橡膠墊塊，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置橡膠墊塊。橋臺在臺帽兩側分別設置鋼筋混凝土擋塊，在擋塊與梁腹板間設置橡膠墊塊；在每個箱室與背墻之間設置橡膠墊塊。

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

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

4" 結束語

對于高地震烈度區橋梁設計，橋梁抗震設計是控制設計的關鍵因素，采用單一手段來提升橋梁抗震性能、滿足規范抗震要求是難以實現的。本文介紹了康定至新都橋高速公路康定過境試驗段橋梁的抗震設計，建立了高烈度區中小跨徑橋梁抗震設計體系和方法，主要結論：

（1）對于高烈度區中小跨徑橋梁，減輕上部結構重量可有效減少下部結構橋墩樁基地震力，因此上部結構梁體可采用組合梁或鋼箱梁；同時，上部結構梁體重量對橋墩地震力的影響與墩高相關，橋墩內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，減輕上部結構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抗震設計方法來提升橋梁的綜合抗震性能效果較差，會導致下部結構工程量和造價成倍增加，只有將下部結構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，可以有效降低單樁地震力，降低樁基受力。

（3）優化上下部結構尺寸，采用輕型化T型蓋梁或鋼蓋梁，進一步減少蓋梁對墩底地震力的貢獻；中系梁采用厚度較薄的橫系板，一方面可減輕下部結構重量，同時也可作為地震耗能構件。

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

（5）提升下部結構材料強度，采用高標號混凝土，高強抗震鋼筋，提高截面抗力。

（6）注重抗震構造措施設計，采用限位措施，防止發生落梁震害。

參考文獻

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