高烈度峡谷山区高速公路桥梁设计方法分析.pdf

第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月 公 路 交 通 技 术Technology of Highway and Transport Vol.39 No.3 Jun.2023刘俊学,丁春,张曦,等.高烈度峡谷山区高速公路桥梁设计方法分析J.公路交通技术,2023,39(3):35-40.LIU Junxue,DING Chun,HE Yunyong.Analysis on design method of expressway bridge in high intensity valley mountain areaJ.Technology of Highway and Transport,2023,39(3):35-40.DOI:10.13607/ki.gljt.2023.03.006基金项目:四川省交通运输科技项目(2022-A-01)收稿日期:2022-12-16作者简介:刘俊学(1967),男,四川省仁寿县人,本科,高工,从事交通规划及建设管理工作。E-mail:857694194 。通信作者:丁 春(1982),女,重庆市人,硕士,高工,从事交通建设管理工作。E-mail:50484110 。高烈度峡谷山区高速公路桥梁设计方法分析刘俊学1,丁 春2,张 曦2,何云勇3(1.四川省交通运输重点项目工作中心,成都 610041;2.雅安市交通建设(集团)有限责任公司,四川 雅安 625000;3.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,成都 610041)摘 要:为解决高烈度峡谷山区高速公路面临的桥梁抗震及顺河桥设计难题,以四川省西部汶川至马尔康高速公路建设实践为例,从桥梁总体设计、上部结构选型分联、下部结构延性设计、抗震支座及防落梁设计等方面,总结了桥梁抗震设计关键技术。应用了一种新型的钢管混凝土桁架桥,给出了该类桥型主梁、纵梁、桥面板及墩柱设计参数,提出了合理处理峡谷山区顺河桥与水关系的桥梁设计原则。研究结论可供川西高烈度峡谷山区待建高速公路桥梁设计参考。关键词:桥梁工程;地震;山区高速公路;抗震设计;顺河桥;钢管混凝土桁架桥文章编号:1009-6477(2023)03-0035-06 中图分类号:U442.5 文献标识码:AAnalysis on Design Method of Expressway Bridge in High Intensity Valley Mountain AreaLIU Junxue1,DING Chun2,ZHANG Xi2,HE Yunyong3(1.Sichuan Provincial Transportation Key Project Work Center,Chengdu 610041;2.Yaan Transportation Construction Group Co.,Ltd.,Yaan Sichuan 625000;3.Sichuan Highway Planning,Survey,Design And Research Institute Ltd,Chengdu 610041)Abstract:In order to solve the problem of bridge seismic resistance and river bridge design of expressway in high intensity canyon mountain area,the key technologies of bridge seismic design are summarized from the aspects of bridge overall design,superstructure selection and connection,substructure ductility design,seismic bearing and anti-falling beam design,taking the construction practice of Wenchuan-Maerkang Expressway in western Sichuan Province as an example.A new type of concrete filled steel tubular truss bridge is applied.The design parameters of main girder,longitudinal beam,bridge deck and pier are given.The bridge design principle of reasonably dealing with the relationship between river bridge and water in canyon mountainous area is put forward.The research conclusions can be used as a reference for the design of highway bridges to be built in high-intensity canyon mountainous areas in western Sichuan Province.Keywords:bridge engineering;earthquake;mountain highways;seismic design;bridges along the river;steel tube concrete truss bridge 截止 2022 年 10 月,四川省规划高速公路20 000 km,已建成通车 8 915 km,在建高速公路3 837 km,待建 7 248 km,其中川西高烈度峡谷山区待建高速公路超过 3 000 km,该地区桥梁设计普遍面临抗震和行洪设计决策需求。汶川地震、芦山地震、九寨沟地震、雅安地震、泸定地震等强烈地震及余震,对公路基础设施摧毁严重。桥梁作为公路的咽喉,在地震中极易受损,导致公路断道,故高烈度地震山区公路桥梁抗震设计是一个关键问题。近年来,针对桥梁震害及抗震设计方法,已有学者或工程技术人员开展了相关研究。唐伟健等1总结了全球具有较大意义的数次历史地震桥梁震害情况。赵灿晖等2总结了 2020 年桥梁抗震领域的研究成果及发展趋势,包括新型材料代替普通混凝土后墩柱的抗震性能,摩擦摆支座加限位耗能杆的减隔震体系等。唐光武等3介绍了 2020 版公路桥梁抗震设计规范的修订情况。宋曰建等4研究了考虑支座摩擦特性的中小跨径高墩桥梁的抗震性能。张少勇等5总结了高地震烈度山岭重丘区各设计阶段桥梁抗震设计的主要内容及控制原则。王克海等6总结了国内外学者针对支座和挡块、桥墩、桥台相关的抗震性能试验研究结论。李建中等7系统介绍了常用的桥梁减震、耗能装置的基本构造、工作原理、分析模型以及应用情况。已有研究针对桥梁抗震设计取得了丰富的成果,在既有研究成果基础上,本文以四川省西部汶川至马尔康高速公路建设实践为例,探讨解决高烈度峡谷山区高速公路面临的桥梁抗震及顺河桥设计难题,以供类似地区高速公路桥梁设计参考。1 工程概况四川省西部汶川至马尔康高速公路全长 170 km,全线设置桥梁 111 座,长 50.6 km,占路线总长29.8%,其中特大桥 18 座,大中桥 93 座。汶马高速公路处于四川盆地向青藏高原东缘的过渡带,地貌跨度及地形起伏大、山高谷深、横坡陡峻、场地狭窄,横穿龙门山地震带,新构造运动强烈,断裂带数量多、活动频繁,地震基本烈度为 度。桥梁抗震设计是该项目首要考虑的关键技术问题。该项目除翻越鹧鸪山的 15 km 越岭线外,其余均为沿溪线,路线设置顺河桥与杂谷脑河、来苏河、梭磨河并行,为绕避场镇、村庄、水电站等控制地物,路线跨河换岸达到 194 次,设置与河流小角度交叉桥梁,全线顺河桥及跨河流的桥梁多达 50 座,这些桥梁与河道行洪相互影响。如何在峡谷临河布置桥墩,并选择合理的设计高程,是该峡谷山区高速公路桥梁设计的又一大难题。本文围绕高烈度峡谷山区高速公路桥梁抗震及顺河桥梁设计关键技术问题进行研究。2 高烈度地震区桥梁抗震设计方法2.1 抗震设计原则抗震是汶马高速公路桥梁设计的关键控制因素,一般桥梁抗震设计应从结构总体和构造细节 2个方面着手8。首先,从结构选型、结构设计、计算分析上考虑:上部结构质量要尽可能轻,少做大跨径,多做中小跨径;桥梁联长以 34 孔为宜,多联长桥每 45 联设置一个制动墩,分散地震力,制动墩基础进行加强;保证“小震不坏、中震可修、大震不倒”;在下部结构形式选择和具体布孔时应当避免出现同一桥墩横向墩高差异过大、同一联桥跨中纵向墩高差异过大的现象,从结构形式上选择保证结构的抗震安全性。其次,从构造细节上结合主动、被动抗震措施来保证结构的抗震安全性。2.2 桥梁上部结构设计上部结构设计应遵循多跨桥梁刚度和质量均衡分布原则,尽量选择规则桥梁、多跨连续结构,避免相邻结构的抗推刚度差异太大。对于长大联的桥梁,为避免纵桥向地震力作用下的地震位移传递叠加过大,要充分考虑避让既有构筑物、避免超大开挖、减小河道行洪影响等边界条件,一般每 34 联设置一处制动墩,以阻断或减弱地震力和地震位移的传递。如汶马高速公路 K84+785 薛城特大桥,左右幅桥梁结合地形和跨河、跨国道 317 及互通变宽等情况采用了 30 m、40 m 预制 T 梁和现浇连续箱梁,桥梁全长 1 628 m,最大桥高 22 m。该桥在 K84+404、K85+206 处设置了 2 处制动墩,划长桥为短桥,降低长桥的地震传递效应。2.3 桥梁下部结构设计下部结构主要考虑延性设计,体现在墩柱的潜在塑性铰区域加强箍筋配置。加密箍筋应延伸至盖梁和承台内,其范围与墩柱纵筋的锚固长度一致。墩柱纵筋的锚固长度按不小于 45 倍钢筋直径 D 设计,一般墩柱纵筋 25 mm、28 mm、32 mm 的锚固长度分别为 120 cm、140 cm 和 160 cm,对 T 形盖梁主筋应延伸至距离盖梁顶面 10 cm 处。箍筋加密区间桩柱潜在塑性铰加密区长度按盖梁底 2 倍柱径、桩基地面线以上 3 倍柱径、桩基地面线以下 4 倍桩径、空中系梁上下各 1 倍柱径;墩柱高度超过 30 m,上述加密区间应适当加大。箍筋根据上部结构跨径、墩柱尺寸、地震烈度选取不同的配置,均采用HRB400,箍筋直径 12 mm16 mm,塑性铰加密区螺旋箍筋间距 80 mm、90 mm 两种。配箍率基本满足63公 路 交 通 技 术 第 39 卷最小配箍率 0.4%要求。2.4 抗震支座设计现有多跨梁式桥梁结构体系,桥墩与主梁间采用等刚度支座传递竖向力和水平力,且伸缩缝之间的主梁长度约 150 m,由于伸缩缝间主梁划分长度与桥墩高度、支座水平刚度与桥墩刚度、支座刚度与支撑主梁的位置等无关,使桥墩墩底弯矩峰值过大,高桥墩的桥梁自振频率低,桥梁极限安全储备小,正常使用能力和抗震能力差9-10。为了改变高烈度地震区多跨梁式桥梁的抗震能力,通过汶马高速公路克枯特大桥、下庄特大桥设计实践,建立了等效桥墩高度与主梁最佳联长的计算原理与方法,提出了支座与桥墩水平刚度串联的匹配技术,开发了形状相同的水平方向变刚度支座构造等系列技术,实现了支座刚度与桥墩刚度可匹配、伸缩缝之间主梁长度可设计,提高了桥梁的总体刚度,形成了墩群均衡受力的抗震结构体系。墩群均衡受力的抗震结构体系,将各墩墩底地震内力响应调控至均衡一致。克枯特大桥主跨 30 m、40 m,主梁采用变刚度支座,桥墩最大高度 32 m,最小高度 6.7 m,伸缩缝间主梁长度约 300 m,全桥伸缩缝数量减少一半。该桥现场测试表明,1 阶自振频率为 0.33 Hz,与支座等刚度、联长短的结构体系比较,桥墩地震内力峰值降低 29%,主梁地震位移减少 85%。这种卓越的新型抗震体系,并未增加材料用量与工程造价,但改善了桥梁抗震性能,提高了桥梁的抗震能力。2.5 防落梁构造设计1)纵横向防震挡块为减小落梁几率,简支 T 梁桥在桥面连续及伸缩缝处的桥墩盖梁上均设有纵、横向挡块、橡胶垫片构成的防落梁构造措施,在桥台处设有横向挡块,在上部结构为现浇箱梁的桥梁,联中墩及联端墩台均设有限位措施11。联中墩处的现浇梁限位构造由墩顶垫石和梁底纵、横向齿块共同构成,纵向档块仅设置在每个墩柱的上坡侧,横向挡块设置在最外侧两墩柱的内侧;联端墩台处的现浇梁限位构造由盖梁或台帽上的纵、横向挡块和梁底纵向齿块共同构成,每相邻两支座中间设置一套12。垫石或挡块与梁底齿块间设有缓冲橡胶垫片。2)连梁装置简支 T 梁在桥面连续、伸缩缝及桥台处均设置纵向防落梁拉杆装置,以限制上下部结构的相对位移,减小落梁几率。度区每个伸缩缝处设置 4 套防落梁拉杆,桥面连续处设 2 套;度区桥墩伸缩缝处设置 4 套防落梁拉杆,桥台伸缩缝处及桥面连续处不设置。防落梁拉杆装置与墩顶纵向挡块协同作用,限制了上部 T 梁相对于桥墩的过大位移,在很大程度上起到了防落梁作用。3)防落链以汶马高速公路为例,该项目地震动峰值加速度为0.1 g0.15 g,为保证桥梁在地震力作用下,防止桥梁梁体掉落,在桥梁伸缩缝位置采用防落链装置,便于灾后应急救援和抢通保通。3 新型桥梁抗震设计要点汶马高速公路桥梁建设过程中,不仅面临高烈度地震区的抗震设计问题,还面临复杂的地形地质条件,恶劣的气候及脆弱的生态环境,导致建造桥梁的普通混凝土地材(砂、石)匮乏,钢材及水泥运距远、劳动力成本逐年增加。为解决这些实际问题,采用了一种钢管混凝土桁架结构,应用于汶马高速公路克枯特大桥和下庄特大桥。该类桥梁主梁、桥墩采用钢管混凝土桁式结构,主梁跨度为 30 m、40 m,由钢管混凝土桁式双纵梁、双纵肋的组合桥面板和主梁横向连接组成;标准桥墩为钢管混凝土柱式墩;当跨越障碍物时,采用非标准桥墩,设置预应力钢箱混凝土盖梁连接墩柱形成钢管混凝土框架式墩;全桥采用钢筋混凝土钻孔灌注桩基础。1)钢管混凝土桁架桥主梁该桥主梁具有轻型化、地震响应低等优点,主梁跨径30 m、40 m 的梁分别为3.5 m 和4.2 m,由桁式双纵梁、双纵肋的组合桥面板和主梁横向连接组成,如图 1 所示。桁式纵梁的节点纵向间距为 4.75 m,桁式纵梁横向间距为 7 m,由 219 mm 的钢管混凝土上弦主管、670 mm 的预应力钢管混凝土下弦主管与 402 mm 的钢管混凝土支管采用相贯焊接连接构成,主管、支管的钢管内灌注 C30 自密实混凝土。预应力钢管混凝土是利用钢管作为支架张拉16 束钢绞线,待灌注主管内混凝土达到设计强度后,释放张拉力于钢管和混凝土上,形成预应力钢管混凝土主管,弯拉极限承载能力相比钢管可提高 1.5倍13。2)组合桥面板组合桥面板是由带钢底板的钢-混组合双纵肋、横肋和钢混凝土组合桥面板组成,如图 2 所示。钢-混组合桥面板厚 15 cm,是先由厚 6 mm 的钢底板和厚 6 mm、间距 40 cm 的带孔加劲抗剪钢板形成73 第 3 期 刘俊学,等:高烈度峡谷山区高速公路桥梁设计方法分析单位:m图 1 钢管混凝土桥梁标准断面Fig.1 Standard section of concrete filled steel tube bridge底模,后设置钢筋网片,再浇筑 C40 钢纤维混凝土,最后形成钢底板与混凝土共同受力的组合结构。相较 15 cm 厚的钢筋混凝土桥面板,组合桥面板的极限承载能力提高了 60%14。注:1.带孔加劲抗剪钢板;钢底板;C40 钢纤维混凝土。2.单位:m图 2 组合桥面板构造Fig.2 Deck structure of composite bridge3)桥墩墩柱主梁跨径 30 m、40 m 的标准桥墩墩柱采用直径1.1 m 和 1.3 m 的钢管混凝土组合结构,仅在墩柱顶设置 670 mm 的钢管横系梁,墩柱间距为 7 m,与主梁桁式双纵梁位置正对;墩柱顶安装变刚度支座,墩柱与桩基础通过过渡强劲接头连接。钢管混凝土受载全过程具有显著的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和破坏阶段,属于典型的延性材料;相较钢材、混凝土,钢管混凝土破坏全过程的趋势与钢材完全一致,但钢管混凝土强度更高,而混凝土呈脆性破坏。相关研究结果表明15,钢管混凝土桥墩与钢筋混凝土桥墩相比,钢管混凝土桥墩墩柱的极限承载能力提高了 1.2 倍,截面延性系数提高 3 倍以上,表明其结构延性更好、耗能能力更强、抗震性能更好。钢筋混凝土桥墩的墩桩过渡接头连接段为地震极限破坏的潜在塑性铰区。在汶川“512”地震中,桥墩墩桩连接部位的塑性铰区普遍出现压溃破坏。为了提高墩桩过渡接头潜在塑性铰区的抗震能力,在桥墩墩柱预埋段钢管内壁焊接带孔钢板,预埋段钢管设置抗剪孔,预埋段钢管外套环形钢筋、再外套钢管,并与桥墩墩柱共同浇筑,形成多-自密实混凝土的组合结构,如图 3 所示。这种接头保证了在设计最不利地震工况下桥墩的弹性状态,安全系数达到 8.0。图 3 墩桩过渡接头构造Fig.3 Transition joint structure of the pier pile4 峡谷山区顺河桥设计要点1)顺河桥桥型选择汶马高速公路沿线与国道 G317 共走廊,沿杂谷脑河、来苏河、梭磨河布设,走廊极其狭窄,线路多处为顺河桥或以桥梁小角度斜跨河流。设置了数量众多的顺河桥梁,为避让滑坡、泥石流等不良地质地段和村庄、灾后重建安置点,需频繁跨河换岸,进入河床断面的桥墩可能对杂谷脑河行洪造成一定影响。为了解决好“桥与水的关系”这个核心问题,既要尽量采用标准经济跨径,满足标准化设计施工的需要,又要实现河道行洪顺畅、河势稳定,适当提升河堤防洪能力16-17。在桥型选择时遵循以下原则:顺河、跨河的桥梁跨径,在兼顾经济性、设计施工标准化的前提下尽量选择较大跨径。汶马高速公路涉河桥梁均采用 40 m 跨径的 T 梁。2)桥位选址原则路线与河道交角较大时,采用一孔跨越,不在河道中设置桥墩;路线越河道交角较小或为顺河布置时,应尽量减少河道中的桥墩。以新桥沟大桥为例,如图 4 所示。该桥沿杂谷脑河顺河布置,桥梁孔跨布设和桥墩型式的选择充分考虑了河道的行洪要83公 路 交 通 技 术 第 39 卷求,尽量不压缩河道、减小阻水面,桥梁下部结构采用了整幅双柱墩、小间距墩等结构型式,避免桥墩位于河道中心;不得已设置在河道中的桥墩均不设地系梁,系梁底面高出设计洪水位标高不小于 50 cm,并采用墩柱同径,桥墩墩柱从冲刷线以下至高出设计水位范围加设 10 mm 厚钢护筒,以防止水流及其他物质的磨蚀。该桥位山体破碎,常有崩塌落石灾害,故于该桥临山侧墩柱设置双层钢护筒进行防护。单位:m图 4 新桥沟大桥平面布置Fig.4 Plan layout of Xinqiaogou Bridge 3)桥位河道岸坡防护设计在顺河长桥设计中遵循尽量减少河中墩柱的原则,但剩余墩柱仍会占用了部分河道,将导致河水水位抬升,局部阻水冲刷改变水流方向,冲刷岸坡及田地,造成岸坡垮塌、淹没农田、威胁房屋安全等灾害问题。针对局部水毁段落的河道进行了疏浚整治、拓宽及防护,以提高河道自身行洪能力。根据河流冲刷深度,对河流冲刷段落采取 C20 片石混凝土护岸挡墙进行防护,该挡墙由护岸和防冲墙组成,其中,护岸高5.0 m、顶宽0.7 m、底宽1.2 m,防冲墙高2.5 m、宽 1.0 m,并采用 C20 片石混凝土连接,如图5 所示。单位:cm图 5 护岸挡墙设计Fig.5 Design of revetment retaining wall 5 结论通过对四川省汶川至马尔康高速公路的 111 座桥梁设计进行总结,分析了高烈度山区高速公路桥梁抗震及顺河桥设计方法,结论如下:1)高烈度峡谷山区桥梁尽量选择规则桥梁、多跨连续结构,避免相邻结构抗推刚度差异太大;一般每 34 联设置一处制动墩,下部墩柱的潜在塑性铰区域应加强箍筋配置;抗震支座、纵横向防震挡块、连梁装置及防落链等构造对桥梁抗震具有显著效果。2)峡谷山区地质条件复杂、气候恶劣、生态环境脆弱,该区域建造高速公路桥梁的混凝土地材匮乏,钢材及水泥运距远,劳动力成本高,本文提出的钢管混凝土桁架桥不仅抗震性能好,还解决了地材匮乏等问题。3)频繁跨越峡谷 V 型河流的桥梁应尽量选择较大跨径,尽量减少河道中的桥墩,桥梁下部结构采用整幅双柱墩、小间距墩等结构型式,避免桥墩位于河道中心,系梁底面高出设计洪水位不小于 50 cm。参 考 文 献References1唐伟健,王东升,张鹏颺,等.桥梁震害的历史回顾(上)J.地震工程与工程振动,2021,41(4):70-80.TANG Weijian,WANG Dongsheng,ZHANG Pengyang,et al.A review of the seismic damage history of bridge(I)J.Earthquake Engineering and Engineering Dynamics,2021,41(4):70-80.2 赵灿晖,贾宏宇,岳伟勤,等.桥梁抗震 2020 年度研究93 第 3 期 刘俊学,等:高烈度峡谷山区高速公路桥梁设计方法分析进展J.土木与环境工程学报(中英文),2021,43(增):91-99.ZHAO Canhui,JIA Hongyu,YUE Weiqin,et al.State-of-the-art review of seismic design of bridge in 2020J.Journal of Civil Environmental Engineering(Chinese and English Edition),2021,43(sup):91-99.3 唐光武,郑万山,刘海明.JTG/T 2231-012020公路桥梁抗震设计规范 修订简介J.公路交通技术,2021,37(6):103-107.TANG Guangwu,ZHENG Wanshan,LIU Haiming.Brief introduction of specifications for seismic design of highway bridges(JTG/T 2231-012020)J.Technology of Highway and Transport,2021,37(6):103-107.4 宋曰建,张秉哲,王克海,等.考虑支座摩擦特性的中小跨径高墩桥梁抗震性能研究J.防灾科技学院学报,2022,24(2):27-32.SONG Yuejian,ZHANG Bingzhe,WANG Kehai,et al.Reseach on 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