高地震烈度强冲刷区域桥梁设计

李 鑫

（安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230051）

桥梁工程作为重点性保障工程，其重要性与意义性不言而喻。世界各国对桥梁抗震设计都进行了深入研究，日本经历1995年的阪神大地震后，受到严重损失，开始对结构抗震问题进行大量研究，特别是减振、耗能机制方面，在1996年颁布了日本的抗震设计规范。美国联邦公路局开展了一系列的桥梁抗震设计规范的修订和研究工作，在抗震理论方面形成了系统的技术指南。我国2008年对桥梁抗震规范进行了修订，并于2008年10月颁布实施了《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008），2014年2月颁布实施了《公路工程抗震规范》（JTG/T B02—2013）。规范在设计思想、防护标准、耗能机制、计算及构造等方面进行了较多研究和总结，吸取借鉴了国内外研究成果和标准规范，修订、增加的主要内容为采用两阶段设防标准，根据桥梁结构等级及地震烈度对抗震验算进行划分，在多遇地震和罕遇地震下确定不同的设防标准；增加了延性抗震设计、减隔震设计；细化了抗震计算方法，给出了明确的抗震分析流程图。规范结合了我国多年来抗震技术方面的研究成果和实践，同时吸收了日本、欧美等国外的抗震思想。

桥墩基础局部冲刷系由于桥墩阻流产生的水流冲击和涡流作用，在桥墩周围形成的局部河床变形，桥梁的破坏大多数由于洪水冲刷严重或桥梁基础埋深不足。国内外研究成果表明，桥梁冲刷防护措施主要有消能减冲和护底抗冲两种。护底减冲防护措施主要利用抛石、砂袋、砂枕、软体排等结构对桥墩基础核心区、永久防护区防护，以有效抵抗桥墩前冲击水流产生的底部向下旋滚，将墩侧绕流产生的最大流速区调整到防护区外围，达到明显折减最大冲刷深度的效果。

1 工程概况

恰克玛克河西桥（丝路大桥）位于新疆喀什经济开发区城北转化加工区，大桥跨越恰克玛克河，为内陆河是喀什噶尔河支流，源于乌恰县西北、图鲁噶尔特山南麓，流经喀什市，长度约为166 km，流域面积为3 788 km2；百年一遇设计泄洪流量为1 372 m3/s。

河水主要靠冰雪融水和地下水补给，河道为水流冲击形成，桥区河道冲刷严重，其河道断面宽度不规则。

依据桥区地形、地貌及水文等相关资料，大桥采用12×30 m预应力混凝土先简支后连续小箱梁，全长367 m。桥梁宽度37 m，采用双幅布置，中间设置2 cm缝。

桥梁总体布置如图1所示。

图1 恰克玛克河西桥桥型总体布置

桥梁整体效果图如图2所示。

图2 恰克玛克河西桥效果图

2 总体设计

2.1 主要技术标准

（1）桥面宽度。

总宽37 m；横向布置为0.5 m护栏+4.5 m人非混行道＋2.0 m分隔带＋11.49 m机动车道+2 cm缝+11.49 m机动车道+2.0 m分隔带+4.5 m人非混行道+0.5 m护栏。

（2）设计荷载。

汽车荷载：城-A级；人群：按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）取值；结构体系升温按25 ℃考虑、体系降温按-25 ℃考虑。

（3）地震烈度。

地震动峰值的加速度为0.3g，地震动反映谱特征周期为0.45 s。地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类场地，按9度设防。

（4）设计水位。

丝路大桥百年一遇设计泄洪流量为1 372 m3/s，折算百年一遇设计水位1 412.6 m。

2.2 上部结构

上部结构采用整体性相对较好、经济性好、施工简单的30 m跨预制小箱梁结构。全桥横向布置12根梁，梁高1.6 m。边梁梁宽2.85 m，中梁梁宽2.4 m，中间湿接缝宽0.638 m。预制小箱梁采用C50混凝土，预应力采用低松弛高强钢绞线，公称直径Ф15.2 mm，标准强度fpk=1 860 MPa，桥面铺装采用12 cm C40防水混凝土。

横断面布置如图3所示。

图3 恰克玛克河西桥桥梁横断面布置（单位：cm）

2.3 下部结构

桥墩基础设计采用摩擦桩，桩长根据计算确定。桥台设计采用U型桥台扩大基础，台帽高为0.7 m，宽度为1.8 m，两阶基础，每阶高为0.75 m；桥墩设计采用桩柱式，柱的直径为1.4 m，桩基直径1.6 m。

下部结构设计充分考虑地震影响，增加抗震措施，桩基采用C30水下混凝土；桥台基础采用C25混凝土。

2.4 抗震设计

桥址处地震动峰值加速度0.3g，地震动反映谱特征周期为0.45 s。地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类场地。抗震按9度设防，抗震等级较高，依据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）采取抗震措施[1-2]。

（1）桥梁上部结构选择闭口断面的预制小箱梁结构，整体性好，对抵抗地震作用效果较好。

（2）小箱梁跨中存在一道宽20 cm的横隔梁，为加强小箱梁横向连接，提高上部结构整体性；增加两道横隔梁（即10 m设置一道）；三道横隔梁厚度均为20 cm。

（3）为防止上部结构在地震作用下纵向落梁，桥梁简支端每片箱梁底部均设置纵向防落梁缓冲链，全桥共设置缓冲链96套；缓冲链采用340型。

（4）交界墩处伸缩缝两侧梁体设置防落梁拉杆，全桥共设置60根防落梁拉杆。

（5）为防止上部结构在地震作用下横向落梁，加强横向抗震挡块的设计，抗震挡块高为80 cm，顶部宽45 cm，底部宽65 cm。挡块和箱梁腹板间设置30 cm×30 cm橡胶垫块。

（6）伸缩缝桥墩处每片箱梁端部设置一个30 cm×30 cm的橡胶垫块，桥台处每片小箱梁与背墙间设置30 cm×30 cm橡胶垫块，橡胶垫块均采用在侧面及底面预埋角钢固定，角钢外露2 cm。

（7）为避免一联桥内大部分水平力将由固定支座所在桥墩承受，本桥设计采用LNR系列水平力分散型橡胶支座；小箱梁桥连续墩处，每片箱梁底部设置一个LNR-d670×199圆形固定型水平力分散型支座。

（8）小箱梁桥简支处，每片梁对应设置两个LNRd345×118圆形滑动型水平力分散型橡胶支座。

（9）依据桥梁地质勘察报告，桥台采用整体性较好的U型桥台。

2.5 防冲刷设计

根据水文资料和恰其嘎水文站实测的洪水流量，恰克玛克河大桥百年一遇设计泄洪流量为1 372 m3/s。

依据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2015）对桥区进行冲刷计算。桥墩一般冲刷深度为2.46 m，局部冲刷深度为1.96 m，总冲刷深度为4.42 m，冲刷较为严重，需要采取防冲刷措施[3-4]。

（1）疏浚桥区上下游河道，尽量使河道平顺、河势稳定，减小因河底高低不平导致的局部冲刷。

（2）将桥梁桩基顶部降至一般冲刷线以下，减少桩顶冲刷，避免桩顶出现外露现象。

（3）桩基系梁开挖施工后，在墩柱迎水面采用“护底块石+级配碎石层+护面块石层”的防护结构，防护范围为3倍桥墩直径，级配碎石层厚0.5 m。块石规格参考《航道整治工程技术规范》（JTJ 312—2003）和《港口及航道整护岸工程设计与施工规范》（JTJ 300—2000）进行选取。

3 结语

近年来，随着地震和山体滑坡等自然灾害频繁发生，较多桥梁在地震和水毁中垮塌或丧失工作性能，我国对抗震设防要求也在逐步提高。在高烈度地震区，抗震已经成为桥梁设计的主要控制因素，要求工程技术人员在设计中充分重视抗震结构设计，高度重视桥梁的抗震设防措施。本文以一高烈度强冲刷区域桥梁为工程背景，详细介绍了桥梁的抗震和防冲刷设计措施，为同类桥梁设计提供借鉴。