182 m下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋抗震研究

〔摘 要〕以深圳沙井大橋主跨182 m下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋為研究對象，系統地開展了抗震設計方法、抗震設防標準、抗震概念設計、抗震計算及抗震措施研究。通過多振型反應譜法與時程法分析，對橋梁進行結構地震反應分析，明確了橋面體系位移響應超限問題，優選阻尼約束體系作為解決方案，顯著降低地震位移并控制墩底彎矩。抗震措施包括：梁端縱橫向設置橡膠墊塊、引橋銜接部位增設緩沖墊塊、橋墩全高箍筋加密及節點錨固強化等。研究表明，該橋通過輕量化橋面體系與減隔震技術，結合精細化構造設計，實現了設防目標，抗震驗算結果均滿足規范要求。

〔關鍵詞〕鋼管混凝土拱橋；抗震設計；阻尼約束體系；抗震設防標準；抗震構造措施

中圖分類號：U448.22；U442.5+5 " 文獻標志碼：Ｂ " 文章編號：1004-4345（202５）0１-0046-06

Seismic Study on 182 m through Tied Arch Bridge with Steel Tube Concrete Rigid Frame

LUO Peng1， LIU Yinhua2

（1. Shenzhen Branch of China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518040， China;

2. Shenzhen Qianhai Construction Investment Holding Group Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518066， China）

Abstract Taking Shenzhen Shajing Bridge as the research object， a through tied arch bridge with a main span of 182 m and steel tube concrete rigid frame， the paper systematically describes seismic design methods， seismic fortification criterion， seismic conceptual design， seismic calculations and seismic measures. The structural seismic response of the bridge is analyzed by means of the multi-modal response spectrum and time history method， which clarifies the over-limit of the displacement response of the bridge deck system and selects the damping constraint system as a solution to significantly reduce seismic displacement and control the bending moment at the bottom of the pier. Seismic measures include： setting rubber pads in the longitudinal and transverse directions at the girder ends， adding buffer pads at the connection points of the approach bridge， increasing the reinforcement of the full height stirrups at the bridge piers， and strengthening the anchoring parts. The study shows that the bridge has achieved its fortification goal through a lightweight deck system and seismic isolation technology and refined structural design. The results of the seismic calculations all meet the code requirements.

Keywords" steel-tube concrete arch bridge; seismic design; damping constraint system; fortification criterion; structural measures

隨著我國城鎮化進程的推進、城市人口增長及經濟的高速發展，社會對交通網絡的依賴性日益增強。地震引發的交通線破壞可能導致重大生命財產損失以及巨額間接經濟損失[1-2]，因此橋梁工程抗震設防的重要性愈發凸顯。目前我國抗震規范僅適用于單跨跨徑不超過150 m的拱橋，150 m及以上跨徑拱橋則需進行抗震設防專項研究。本文擬以深圳沙井大橋為研究對象，針對大跨徑拱橋的抗震研究展開論述，以期為大跨徑鋼管混凝土拱橋抗震設計提供理論支撐與實踐參考。

1 項目簡介

沙井大橋位于深圳市寶安區，全長412.4 m，由南引橋（4×27 m現澆預應力混凝土箱梁）、主橋（182 m下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋）及北引橋（17 m+2×25 m+17 m現澆預應力混凝土箱梁）組成。主橋標準寬度為36 m，引橋標準寬度為32 m。主橋失跨比為1/5，懸鏈線拱軸系數為1.167，理論矢高為36 m。拱肋采用等高度鋼管混凝土空間桁架結構，高度為4.1 m，寬度為2.4 m；吊桿、系桿采用環氧涂層鋼絞線；橋面體系由橋面工字鋼格子梁和鋼混組合橋面板構成，采用懸浮體系，端部通過滑動支座簡支于橋墩橫梁牛腿上。主橋橋墩采用雙薄壁墩，墩下設3 m厚鋼筋混凝土承臺，單個承臺下設3排共5根直徑2 m的樁基；墩頂帽梁間設箱形混凝土橫系梁，縱向設置牛腿以支承主橋橋面系及引橋箱梁。主橋立面及橫斷面如圖1、圖2所示。

2 主橋技術參數

該橋的道路等級為城市主干道；汽車荷載為城-A級；人群荷載為3 kPa；設計基準期為100 a；設計使用年限為100 a；地震基本烈度為7度，按8度設防；地震動峰值加速度為0.1 g。

依據場地地震安全性評價報告，該橋場地地震動參數E1地震（重現期475年）、E2地震（重現期為2 500年）的地震水平向加速度反應譜曲線如圖3、圖4所示。場地設計地震動加速度時程如圖5～圖10所示。

下文對該主橋抗震研究主要包括以下內容：抗震設計方法的確定、抗震設防標準及性能目標的制定、抗震概念設計、抗震計算及抗震措施研究。

3 抗震設計方法及性能目標

3.1" 抗震設計方法的確定

隨著國內外抗震理論研究的發展，抗震設計方法已從單一水準設防轉向“多水準設防、多性能目標”的性能化設計。自20世紀90年代起，我國在楊浦大橋、徐浦大橋、廣東海灣二橋、廣東虎門大橋、江陰長江公路大橋、南京長江二橋等特大橋梁工程中普遍采用了“兩水準設防、兩階段設計”的抗震設計方法，通過驗算結構在E1、E2地震作用下的強度與延性，評估橋梁抗震的安全性[3]。

我國現行《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01—2020）與《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011）更是明確將“兩水準設防、兩階段設計”納入抗震設計要求。基于上述背景，本橋也選擇采用“兩水準設防、兩階段設計”的抗震設計方法，即第一階段進行E1地震彈性驗算，第二階段開展E2地震彈塑性分析，確保結構滿足“小震不壞、大震不倒”的設防目標[4]。

3.2" 抗震設防標準及性能目標

為保證工程結構在壽命期內的地震損失不超過規定的水平或者社會可接受水平，國家會制定工程抗震設防標準，規定工程結構必須具備的抗震能力。決定工程抗震設防標準的3個基本因素包括地震危險性、社會經濟可承受性及工程結構的重要性[3，5]。

參照現行城市橋梁抗震設計規范，本橋主橋抗震設防分類為甲類，抗震設防目標為：在E1地震作用下，橋梁結構總體反應在彈性，基本無損傷，震后立即使用；在E2地震作用下，橋梁結構輕微損壞，震后不需要修復或經簡單修復可繼續使用[4]。本工程主橋各構件具體抗震設防標準及性能目標見表1。

4 抗震概念設計

地震作用是一種不規則的循環往復荷載，具有很強的隨機性，加上結構計算模型與實際情況存在差異，因此僅依賴抗震計算難以有效控制結構抗震性能。良好的抗震概念設計是決定抗震性能的關鍵因素[1]。合理確定結構設計方案并選擇良好的抗震結構體系是橋梁抗震概念設計的核心及難點。

4.1" 合理確定結構設計方案

本工程受以下條件約束：1）道路兩端均為現狀道路，道路起終點標高受限，路線長度較短，主橋橋面標高受道路縱坡設計限制；2）橋梁上跨Ⅳ級航道茅洲河，需滿足雙向通航凈空標準，且河中不可設橋墩；3）橋梁與河道斜交約45°，跨度較大。綜合以上因素，主橋采用182 m下承式鋼管砼剛架系桿拱橋方案。

主橋主要構件傳力途徑如圖11。地震作用下主要承力結構為主拱、墩柱、基礎，以及它們之間的連接部位。

關鍵構件設計：1）主拱圈。采用四肢鋼管混凝土桁式截面。這種結構能利用鋼管的套箍效應最大程度發揮混凝土的抗壓性能，同時又具有很好的延性，抗震能力強。根據國三振動臺抗震內模型試驗和汶川大地震驗證說明，鋼管混凝土受壓構件實際抗震能力為計算值的2倍。2）橋面體系。采用工字鋼格子梁+鋼混組合橋面板（厚15 cm）體系，橋面鋪裝層厚7 cm ，人行道采用鋼結構。橋面體系自重較輕，能減少地震慣性力，結構整體性較好。3）主拱與系桿交叉節點。主拱延伸至拱座后部，與系桿交叉（見圖12），力的傳遞路徑明確，承載力強。4）橋墩。采用雙肋薄壁墩，與拱座剛接，兼具了柔性與承載力，既方便系桿的受力，也可減小地震響應，使其在地震作用下仍保持在彈性階段。5）基礎。采用群樁基礎。此類基礎的特點為承載能力強，能嵌入巖石中，避免軟弱地基震陷造成橋梁的破壞。

4.2" 抗震結構體系的選取

拱橋主拱軸壓比高，延性設計困難且不可靠。根據本文第3.2節抗震設防標準，橋墩及基礎在E2地震下僅允許輕微損傷。要滿足該性能要求，橋墩不允許進入塑性，本橋主要構件均不按延性抗震體系進行設計，且均需進行強度驗算。重點通過構造措施減小地震響應。

根據主橋地震作用下傳力途徑，橋面體系地震作用主要通過吊桿和鋼格子梁端部支座傳給基礎。吊桿采用的是柔性鋼絞線，其本身具有很好的減震和抗震作用。從抗震設計的角度，約束支座則能直接影響橋梁縱向與橫向剛度分配，控制位移，強化傳力路徑。支座位置約束條件可分成4大類共6種，見表2。

表2中，體系5、6是比較理想的抗震結構體系。這兩種體系的區別在于：彈性約束體系（體系5），在鋼格子梁端部設置橡膠緩沖墊塊較方便，對主橋結構只提供剛度，不耗能；而阻尼約束體系（體系６），采用滑動支座+阻尼器，耗能效果顯著，且低速時無剛度貢獻，高速時提供剛度，能平衡位移控制與內力響應。

5 抗震計算

5.1" 抗震計算

本橋結構地震反應分析采用多振型反應譜法和時程法。首先通過多振型反應譜法與線性時程法進行E2地震作用分析，確定抗震結構體系；隨后進行E1、E2地震作用下的效應計算。兩種方法的抗震計算結果見表3。

5.2" 計算結果分析及解決方案比選

根據表3計算結果，橋面體系采用漂浮體系，體系位移較大，超過伸縮縫的設計寬度，可能導致主墩及其間橫系梁的撞擊損傷。為了有效限制橋面體系在地震作用下發生位移，減小撞擊對主墩間橫系梁的傷害，按照第4.2節分析結果，依據表2中體系5、體系6，提出兩種對應的解決方案：1）方案1，在梁端設置橡膠緩沖墊塊，在地震作用下，起到限制位移并緩沖撞擊力的效果；2）方案2，在橋面系結構端部與橋墩帽梁（拱座）之間縱橋向設置黏滯流體阻尼器，橋面結構兩端各設置兩臺，以限制地震引起的位移，同時起到減震的作用。

經計算，若采用方案1，在E2地震作用下，作用在緩沖墊塊上的力約為3 000～5 000 kN，撞擊力較大，可能會造成對橫系梁的損傷，而且此作用力也加大了橫向梁水平向的內力，造成橫向梁受力不利。鑒于此，本橋選擇采用阻尼約束體系。

采用非線性時程分析方法進行6組不同阻尼參數的計算，計算結果見表4。綜合分析可知，6種工況的橋面結構縱向位移值和墩底縱向彎矩值均相差較小，其中工況1對應的阻尼器阻尼系數雖小，但限位效果理想，彎矩波動范圍可控，故選用工況1的參數為本橋的阻尼器參數。

5.3" 橫向擋塊的設計

通常，橋面體系橫向允許有較大位移，但在橋梁正常運營狀態下，須有一定的限位能力，以防止車輛在行車過程中受到橋面系橫向大的位移、擺動，造成行車不適。故本項目在橫橋向橋面體系端部設置擋塊，并在擋塊上粘貼橡膠墊塊起緩沖作用。計算時，該位置采用橡膠墊塊等效剛度的間隙單元進行模擬。應該注意的是，橫向擋塊設計不宜太強，因為如果擋塊設計較強，地震作用下會造成對橫向梁的損傷。故橫向擋塊應在E2地震作用下設計為可破壞。橫向擋塊地震剪力及抗剪承載力見表5。

5.4" 銜接部位處理

經計算，引橋與主橋橋墩交接處縱向、橫向的相對位移為10 cm，而實際引橋與主橋橋墩交接處僅預留了8 cm的間隙，這導致引橋會撞擊主橋橋墩。因此在此位置設置了4 cm的厚橡膠緩沖墊塊。

5.5" 抗震驗算結果

采用表4中工況1的阻尼參數進行非線性時程分析，并根據計算結果按規范進行各構件抗震驗算。驗算結果表明，各項驗算均能滿足規范要求。主橋主要結構最不利內力及抗力見表6。

6" "抗震措施和抗震構造細節研究

本橋橋面系為整體結構，通過吊桿吊掛于主拱上，梁端通過墩間橫梁限制縱向位移。因橋梁橫向寬度較大，無落梁風險，故該橋主要抗震措施為：對梁端進行緩沖設計，在縱、橫向分別加裝橡膠墊塊，以緩沖橋面系受到的地震沖擊作用。

具體抗震構造細節設計包括：1）墩柱及樁基箍筋的配置。主橋橋墩高度約為7 m，全高范圍內箍筋加密；樁頂以下3倍樁基長度范圍內，箍筋間距加密。2）墩柱的縱筋延伸及連接要求。墩柱縱筋均延伸至帽梁頂面和承臺底面，錨固長度滿足≥48 d要求。但橋墩范圍內以及樁頂以下3 d范圍內禁止縱向鋼筋的連接。3）節點構造。鋼管砼主拱一直延伸至拱座中，與系桿交叉錨固（如圖12）；橫系梁縱向鋼筋伸入拱座，錨固長度滿足≥48 d要求。

7 結論

綜上所述，本文以深圳沙井大橋為研究對象，針對該182 m下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋進行了專項抗震研究。結合國家標準及國內已有設計經驗，該橋采用“兩水準設防、兩階段設計”的抗震設計方法[5]，主要構件按彈性抗震體系進行設計，抗震性能目標要求達到，主拱圈、吊桿、系桿在E1、E2地震作用下不損傷，其它構件在E1地震作用下不損傷，在E2地震作用下允許輕微損傷。通過計算分析，對該橋采取的抗震措施包括：在該橋縱向設置粘滯流體阻尼器；在橫橋向橋面體系端部設置擋塊，并在擋塊上粘貼橡膠墊塊起緩沖作用；在引橋與主橋銜接位置、主橋橋面系與主拱銜接位置縱橫向設置橡膠墊塊；以及采取橋墩全高箍筋加密、樁頂3 d范圍內箍筋加密、結構連接節點加長縱筋錨固長度等抗震細節構造設計。經過驗算，各構件抗震驗算均能滿足規范要求。

設計建議：1）此類橋梁主要結構軸壓比較高，抗震采用塑性鉸區的延性設計不可靠，因此橋梁主要結構在地震作用下應優先保持彈性。2）采用輕量化橋面體系及減隔震措施，可以降低地震效應。3）強化構件連接構造，確保傳力路徑可靠性。

參考文獻

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[2] 葉愛君，范立礎. 大型橋梁工程的抗震設防標準探討[J]. 地震工程與工程振動，2006，26（2）：8-12.

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