跨越活斷層跨海大橋抗震設(shè)計(jì)研究

陳忠波

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

1 概述

橋梁工程區(qū)域若處于地震帶，尤其是該橋梁工程穿越活動(dòng)斷裂帶，一般采用的處理方法：一是重新選擇或者優(yōu)化路線方便避開該活動(dòng)斷裂帶；二是采用路基的形式通過該活動(dòng)斷層。穿越活動(dòng)斷裂帶的橋梁工程，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程實(shí)例和相關(guān)研究很少，所以可用于借鑒的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及其處理方法與措施也較少。

已有規(guī)范中對(duì)橋梁工程區(qū)域內(nèi)存在活動(dòng)斷裂帶，通常采用避讓原則，其中對(duì)活動(dòng)斷層區(qū)域內(nèi)工程的避讓方案有時(shí)間避讓和空間避讓兩種可選擇的方案。時(shí)間避讓：將工程使用期合理限制于斷層穩(wěn)定期限內(nèi)，這樣可以在斷裂帶處于穩(wěn)定時(shí)期內(nèi)，使得橋梁工程的的安全質(zhì)量的到有效保障?？臻g避讓：保證橋梁工程距離斷裂帶有充足的安全距離，而且現(xiàn)今為止，避讓距離是針對(duì)一般情況統(tǒng)計(jì)出來的結(jié)果。

2 地震響應(yīng)分析

為保證數(shù)值模擬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與實(shí)際工程的符合性。進(jìn)行的數(shù)值模擬參數(shù)根據(jù)其他跨海大橋?qū)嶋H工程有限元分研究進(jìn)行取值。利用ANSYS 建立主橋有限元分析模型，主橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，其跨度為（200+200）m，用扁平鋼箱梁作為該橋主梁。選取4 條來自太平洋地震工程研究中心數(shù)據(jù)庫(kù)中的典型速度脈沖型加速度記錄作為地震動(dòng)輸入，近斷層地震動(dòng)參數(shù)輸入如表1。通過時(shí)域疊加小波函數(shù)法將地震動(dòng)加速度峰值調(diào)整到0.35g，阻尼比0.05，由此得出的加速度反應(yīng)譜曲線[1]如圖1 所示。通過模型分析由脈沖效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)和動(dòng)力響應(yīng)。

眾多研究認(rèn)為對(duì)中和長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)有較大影響是由近斷層地震動(dòng)的速度脈沖引起的[2]?？绾４髽蛟谖纯紤]減震裝置的情況下地震響應(yīng)如表2 所示。通過表1 與圖1 得出以下結(jié)論：①在橋塔順橋向振動(dòng)模態(tài)的周期為2.71s 時(shí)，Chi-Chi-052 和Chi-Chi-102 地震動(dòng)輸入所對(duì)應(yīng)主梁與塔頂縱向位移，塔底彎矩比其他地震動(dòng)輸入大很多，并具有較大的地震能量；②塔的縱向彎曲振動(dòng)是引起縱向位移的主要原因，因此縱向位移幾乎相同的結(jié)構(gòu)為梁端和塔；③由于近斷層地震在長(zhǎng)周期脈沖作用影響下，以遞增的方式進(jìn)行能量釋放，并且需要在短時(shí)間內(nèi)消耗此能量，故對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞程度很大。脈沖周期與峰值地面速度的乘積越大，而地震響應(yīng)也越大[3]。隨著脈沖周期持續(xù)時(shí)間增加，峰值地面速度與峰值地面加速度的比值越大，由此地震相關(guān)響應(yīng)越明顯。

表1 近斷層地震動(dòng)參數(shù)

表2 未考慮減震裝置時(shí)響應(yīng)

3 跨活斷層區(qū)抗震設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)在地震作用下斷層發(fā)生較大的錯(cuò)位，橋梁工程采用簡(jiǎn)支的方式穿越活動(dòng)斷裂帶。由于地震作用可能使非活動(dòng)斷裂帶被激活，而在非活動(dòng)斷裂帶區(qū)域范圍內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)同樣采用簡(jiǎn)支鋼箱梁結(jié)構(gòu)[4]。減少伸縮縫設(shè)置提高了橋梁的使用功能的舒適性。斷裂帶在發(fā)生錯(cuò)位后，橋梁結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)通常都很難滿足其容許位移，會(huì)導(dǎo)致落梁現(xiàn)象的發(fā)生。

3.1 近斷層區(qū)抗震設(shè)計(jì)

圖1 加速度反應(yīng)譜曲線圖

圖2 落梁托架及二級(jí)墊石布置圖

按照力學(xué)性質(zhì)對(duì)斜拉橋基本約束體系進(jìn)行對(duì)比分析，并考慮到橋跨度不大，因此橋的整體剛度相應(yīng)增加。最終選擇采用半漂浮體系作為鋪前大橋基本約束體系，半漂浮體系順橋向周期最時(shí)間最長(zhǎng)、剛度最小，而且在地震作用下橋梁的位移響應(yīng)也最大，其優(yōu)點(diǎn)是塔柱的內(nèi)力響應(yīng)很小，所需的基礎(chǔ)規(guī)模小。

在高烈度地震區(qū)時(shí)，采用設(shè)置阻尼器用來防止地震作用過大而產(chǎn)生較大的內(nèi)力響應(yīng)以及位移響應(yīng)?？紤]到主梁運(yùn)營(yíng)時(shí)期計(jì)算出來的結(jié)果，在塔、梁之間設(shè)置豎向支座可以有效減少地震作用的不利影響。在基本風(fēng)速較高的地區(qū)，橫向支承體系選用E 型鋼阻尼器，用來滿足抗震需要，同時(shí)兼顧抗風(fēng)需要。

通過E 型鋼阻尼器與其他軟鋼阻尼器對(duì)比可知，有以下優(yōu)點(diǎn)：①具有合理的形式結(jié)構(gòu)，相對(duì)穩(wěn)定的阻尼性能，具有良好的耗能性能；②耗能元件進(jìn)入塑性階段時(shí)不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此材料得到充分利用；③由于E 型鋼阻尼器的結(jié)構(gòu)形式和支座能夠很好的組合起來，因此在橋梁安裝與更換中都十分方便。在橋梁工程中使用E 型鋼阻尼器剛度相對(duì)較低，有效的增加橋梁的固有周期，大大加強(qiáng)了橋梁的隔震效果[5-6]。

3.2 跨活動(dòng)斷層跨海大橋引橋抗震設(shè)計(jì)

活動(dòng)斷裂帶在地震作用下可發(fā)生較大位移時(shí)，為保證橋梁結(jié)構(gòu)在發(fā)生錯(cuò)位后，仍能夠通過震后維修使其具有整體線性的平順，而不影響該橋梁路面行車的正常通行。在活動(dòng)斷裂帶與非活動(dòng)斷裂帶之間的區(qū)域設(shè)置緩沖跨，用鋼箱梁簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)的方式修建緩沖跨的上部結(jié)構(gòu)。由于修建時(shí)對(duì)緩沖跨的支座進(jìn)行墊石處理，即使活動(dòng)斷裂帶發(fā)生錯(cuò)位，也可以通過調(diào)整緩沖跨墊石高度達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)的平順。而采用的墊石為鋼墊石，這種墊石內(nèi)部用微膨脹混凝土填充和設(shè)置橡膠塊，能有效減少由于梁掉落撞擊產(chǎn)生的大沖擊力。

3.3 跨活動(dòng)斷層跨海大橋防落梁抗震設(shè)計(jì)

跨海大橋所處活動(dòng)斷裂帶具有較大的水平錯(cuò)位時(shí)，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)搭接長(zhǎng)度無法滿足地震作用下錯(cuò)位要求，則此處橋梁結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生落梁現(xiàn)象。以防落梁破壞，在活動(dòng)斷裂帶區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置防落梁托架能有效避免這種現(xiàn)象[7]。在發(fā)生落梁時(shí)，可能出現(xiàn)由于鋼箱梁掉落至托架上而對(duì)下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的撞擊力，從而使得下部結(jié)構(gòu)二次破壞，通過在已設(shè)置墊石的基礎(chǔ)上再次設(shè)置鋪設(shè)橡膠塊的二級(jí)墊石，能有效的減少?zèng)_擊力對(duì)下部結(jié)構(gòu)的破壞程度。落梁托架及二級(jí)墊石布置圖如圖2 所示。

4 結(jié)論

對(duì)跨海大橋跨越活動(dòng)斷裂帶時(shí)，由于地震作用而引起的橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移響應(yīng)的分析，對(duì)跨海大橋跨越活動(dòng)斷裂帶時(shí)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)分析與思考，得出以下結(jié)論，希望對(duì)以后面對(duì)相似工程實(shí)例的工程師提供參考。

4.1 在修建跨海大橋時(shí)，若該橋梁工程需要跨越斷裂帶，首先應(yīng)選擇避讓原則。如果在路線限制和遇到無法避開的其他因素時(shí)，在該橋梁工程設(shè)計(jì)之前應(yīng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行海底斷層準(zhǔn)確勘探，為選擇適當(dāng)?shù)闹鳂驑蛭?、選擇合理的橋型和合適的橋跨布置提供可靠的依據(jù)。

4.2 跨海大橋位于高烈度地區(qū)時(shí)，在橋梁結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器，可以使得關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)位移明顯減少，從而很大程度上改善了橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況。

4.3 位于斷層區(qū)域內(nèi)或地震烈度較高的地區(qū)，橋梁基本約束體系的選擇至關(guān)重要。半漂浮體系+阻尼裝置體系使得橋梁結(jié)構(gòu)具有較小的剛度，從而使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)也相應(yīng)減少。

4.4 在跨海橋梁工程中可能出現(xiàn)落梁或其類似的結(jié)構(gòu)掉落工程事故，通過在結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)橡膠塊，能有效地減小沖擊作用，從而防止結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在較大的沖擊力下發(fā)生脆性破壞。