高地震烈度区省道桥梁设计重难点分析

□文/高 永 项敬辉 谢雪峰

1 工程概况

省道217 线海勃湾绕城公路是省道217 线新地—拉僧庙的一段，位于内蒙古自治区乌海市，沿城市区划外围布置，总体呈南北走向。项目起点位于机场路与运煤专线交叉点北侧，长度15.756 km；为公路工程，部分路段兼具城市道路功能。见图1。

图1 路线走向

乌海市及周边是一个多震地区，地震烈度高；昼夜温差大，降水量少，蒸发量大，年平均相对湿度42%。

1.1 建设标准

1）荷载标准。设计荷载采用公路I级；无人群荷载。

2）净空高度。机动车道≥5.0 m；铁路≥8.2 m。

3）抗震。项目所处地区地震动峰值加速度系数为0.20g，相应的地震烈度为8 度；抗震措施等级为9度，抗震设防类别为B类，场地土类别为Ⅱ类，特征周期0.40 s。

1.2 设计原则

结构的选型要体现工程良好的性能且经济安全、结构合理[1]，为此确定桥梁结构设计原则如下：

1）应尽可能满足快速施工要求，施工期间尽可能减少对交通的影响，在满足功能要求的前提下，为今后的发展适度留有余量；

2）积极采用新工艺、新技术、新材料、新设备，以使工程建设尽可能多地反映出技术上的先进性[2]；

3）满足排洪和结构受力安全的前提下，力求桥梁受力合理和总体协调；

4）桥梁所采用材料应考虑腐蚀区的耐久性要求。

1.3 结构设计

根据实际情况，平面位于直线及曲线半径较大的区段，跨径30 m左右的上部结构采用预制简支变连续小箱梁；平面位于小半径曲线区段或＞15°斜交桥梁，跨径＜40 m 的上部结构采用现浇预应力连续箱梁；上跨现状路节点，跨径＞40 m的上部结构，为尽量减少施工对现状交通的影响，采用钢混组合梁方案。

预制箱梁的下部结构一般为墩柱+明盖梁的形式；现浇箱梁的下部结构一般为墩柱顶箱梁的形式，按照桥梁宽度的不同，一般采用横桥向双、三柱布置；钢混组合梁采用底板封闭的钢箱组合梁结构，加强了结构的整体性和景观效果。

2 关键节点设计

桥梁结构跨越铁路、河道、规划及现状道路处是重要的设计节点。本工程主要的节点有跨越摩尔沟街、林荫大道、千里山街、新华大街，均采用高架桥形式上跨被交路并为其预留足够的通行空间；除跨越摩尔沟街采用现浇箱梁外，其余均采用钢混组合梁结构；三厂互通区跨越铁路桥梁三座。

2.1 上跨新华大街现状路节点

新华大街为城市次干路，现状沥青路面宽度为14 m（车行道）。设计考虑到新华大街规划宽为40 m（8 m人行道+24 m车行道+8 m人行道）。为尽量减少对既有新华大街及其附近机关单位的影响并考虑远期拓宽的需要，跨径布置为36 m+56 m+36 m。上部结构采用三跨连续组合梁结构形式，桥宽16.275 m，横向为四个单箱室，钢梁梁高1.7～3.2 m，混凝土桥面板厚0.25～0.45 m。下部结构采用分离花瓶双墩形式，基础采用钻孔灌注桩。见图2。

图2 上跨新华大街节点方案

2.2 上跨海拉铁路

既有海拉铁路为单线非电气化铁路，有缝线路，轨道质量50 kg/m，混凝土轨枕。项目在终点处设计改造三厂互通立交，分东西两侧与既有铁路交叉。见图3。

图3 与铁路交叉

西侧B匝道、S318（LY右幅、LZ左幅）、A匝道均为新建3×40 m简支转连续小箱梁，在中间孔上跨海拉铁路。东侧E匝道在第一联（3孔一联）第二孔处跨越既有海拉铁路。

为尽量减少施工及运营对既有铁路的影响，采用预制小箱梁方案，架桥机施工。见表1。

表1 与铁路交叉桥梁结构

上跨铁路桥采取的附属措施主要有：

1）桥梁两侧设防撞护栏，有检修道侧为双层护栏，跨铁路孔及邻孔护栏等级采用HA级，护栏桥面以上高1.3 m；

2）为保证桥下铁路的运营及消防安全，跨铁路及邻孔设置铝合金材质防抛屏，总高度为桥面以上2.5 m；

3）上跨海拉铁路孔跨不设泄水孔，其他段按间距5 m设在护栏内侧，泄水孔设置在标高较低一侧，通过集水管集中引至地面排水系统；

4）三厂互通西侧B匝道、LY主线、LZ主线、A匝道以及东侧E匝道在1、2号桥墩施工区域邻近铁路侧设置铁丝网隔离，铁丝网高度为1.5 m，严禁机械及人员随意进入隔离范围。

3 高烈度区桥梁减隔震设计

经历过2008年汶川地震，抗震设计思想由原来的单一设防水准向基于性能的多水准设防方向发展。抗震设计方法也由传统的“强度设计”转变为“延性设计”和“减隔震设计”。

本工程抗震采用“两水准设防，两阶段设计”，即E1地震作用下，结构总体反应在弹性范围，进行弹性设计；E2地震作用下，桥梁不倒塌，采用延性或者减隔震设计[3]。

跨径30 m小箱梁结构采用LNR水平分散型橡胶支座。E1阶段采用弹性设计，E2阶段采用延性设计，在桥墩预定位置形成塑性铰，延长结构周期、耗散地震能量。见图4。

图4 桥墩潜在塑性铰区域

大跨径的现浇箱梁或者钢混组合梁结构采用速度锁定型变曲率摩擦摆式支座，主要构造是在变曲率摩擦摆支座上安装速度锁定器，解决普通摩擦摆支座存在的“一墩独大、不同步工作、软弱地基易引起共振”等问题[4]。见图5。

图5 速度锁定型变曲率摩擦摆式支座

1）在正常使用阶段，墩梁相对速度较慢，速度锁定器不发挥作用，满足正常使用状态下的位移。

2）E1地震作用下，墩梁间将产生较快的相对速度，活动型摩擦摆支座上的速度锁定器将发挥作用，活动型摩擦摆支座临时成为固定型摩擦摆支座，桥梁进入多个桥墩一起“联合抗推，共同抗震”的弹性抗震阶段[5]。

3）E2地震作用下，速度锁定器将活动型摩擦摆支座的上盖与摆体锁定，与固定型摩擦摆支座同时打开设置于摆体与底座之间的支座剪力开关，桥梁进入各支座“同步摆动，联合减震”的理想减隔震阶段[6]。

4）与等曲率摩擦摆相比，变曲率摩擦摆隔震周期不是固定不变的，能解决隔震结构在遭遇长周期脉冲型地震波激励时易发生低频共振的问题[4]。

4 结语

在设计阶段，结合工程实际特点，需要重点考虑高地震烈度的影响。目前，该工程已部分施工完毕，施工质量良好，为以后类似项目的建设提供提供了宝贵的设计经验。