高地震烈度區(qū)省道橋梁設(shè)計重難點分析

□文/高 永 項敬輝 謝雪峰

1 工程概況

省道217 線海勃灣繞城公路是省道217 線新地—拉僧廟的一段，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市，沿城市區(qū)劃外圍布置，總體呈南北走向。項目起點位于機(jī)場路與運(yùn)煤專線交叉點北側(cè)，長度15.756 km；為公路工程，部分路段兼具城市道路功能。見圖1。

圖1 路線走向

烏海市及周邊是一個多震地區(qū)，地震烈度高；晝夜溫差大，降水量少，蒸發(fā)量大，年平均相對濕度42%。

1.1 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

1）荷載標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計荷載采用公路I級；無人群荷載。

2）凈空高度。機(jī)動車道≥5.0 m；鐵路≥8.2 m。

3）抗震。項目所處地區(qū)地震動峰值加速度系數(shù)為0.20g，相應(yīng)的地震烈度為8 度；抗震措施等級為9度，抗震設(shè)防類別為B類，場地土類別為Ⅱ類，特征周期0.40 s。

1.2 設(shè)計原則

結(jié)構(gòu)的選型要體現(xiàn)工程良好的性能且經(jīng)濟(jì)安全、結(jié)構(gòu)合理[1]，為此確定橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計原則如下：

1）應(yīng)盡可能滿足快速施工要求，施工期間盡可能減少對交通的影響，在滿足功能要求的前提下，為今后的發(fā)展適度留有余量；

2）積極采用新工藝、新技術(shù)、新材料、新設(shè)備，以使工程建設(shè)盡可能多地反映出技術(shù)上的先進(jìn)性[2]；

3）滿足排洪和結(jié)構(gòu)受力安全的前提下，力求橋梁受力合理和總體協(xié)調(diào)；

4）橋梁所采用材料應(yīng)考慮腐蝕區(qū)的耐久性要求。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實際情況，平面位于直線及曲線半徑較大的區(qū)段，跨徑30 m左右的上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制簡支變連續(xù)小箱梁；平面位于小半徑曲線區(qū)段或＞15°斜交橋梁，跨徑＜40 m 的上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁；上跨現(xiàn)狀路節(jié)點，跨徑＞40 m的上部結(jié)構(gòu)，為盡量減少施工對現(xiàn)狀交通的影響，采用鋼混組合梁方案。

預(yù)制箱梁的下部結(jié)構(gòu)一般為墩柱+明蓋梁的形式；現(xiàn)澆箱梁的下部結(jié)構(gòu)一般為墩柱頂箱梁的形式，按照橋梁寬度的不同，一般采用橫橋向雙、三柱布置；鋼混組合梁采用底板封閉的鋼箱組合梁結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性和景觀效果。

2 關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)跨越鐵路、河道、規(guī)劃及現(xiàn)狀道路處是重要的設(shè)計節(jié)點。本工程主要的節(jié)點有跨越摩爾溝街、林蔭大道、千里山街、新華大街，均采用高架橋形式上跨被交路并為其預(yù)留足夠的通行空間；除跨越摩爾溝街采用現(xiàn)澆箱梁外，其余均采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu)；三廠互通區(qū)跨越鐵路橋梁三座。

2.1 上跨新華大街現(xiàn)狀路節(jié)點

新華大街為城市次干路，現(xiàn)狀瀝青路面寬度為14 m（車行道）。設(shè)計考慮到新華大街規(guī)劃寬為40 m（8 m人行道+24 m車行道+8 m人行道）。為盡量減少對既有新華大街及其附近機(jī)關(guān)單位的影響并考慮遠(yuǎn)期拓寬的需要，跨徑布置為36 m+56 m+36 m。上部結(jié)構(gòu)采用三跨連續(xù)組合梁結(jié)構(gòu)形式，橋?qū)?6.275 m，橫向為四個單箱室，鋼梁梁高1.7～3.2 m，混凝土橋面板厚0.25～0.45 m。下部結(jié)構(gòu)采用分離花瓶雙墩形式，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。見圖2。

圖2 上跨新華大街節(jié)點方案

2.2 上跨海拉鐵路

既有海拉鐵路為單線非電氣化鐵路，有縫線路，軌道質(zhì)量50 kg/m，混凝土軌枕。項目在終點處設(shè)計改造三廠互通立交，分東西兩側(cè)與既有鐵路交叉。見圖3。

圖3 與鐵路交叉

西側(cè)B匝道、S318（LY右幅、LZ左幅）、A匝道均為新建3×40 m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁，在中間孔上跨海拉鐵路。東側(cè)E匝道在第一聯(lián)（3孔一聯(lián)）第二孔處跨越既有海拉鐵路。

為盡量減少施工及運(yùn)營對既有鐵路的影響，采用預(yù)制小箱梁方案，架橋機(jī)施工。見表1。

表1 與鐵路交叉橋梁結(jié)構(gòu)

上跨鐵路橋采取的附屬措施主要有：

1）橋梁兩側(cè)設(shè)防撞護(hù)欄，有檢修道側(cè)為雙層護(hù)欄，跨鐵路孔及鄰孔護(hù)欄等級采用HA級，護(hù)欄橋面以上高1.3 m；

2）為保證橋下鐵路的運(yùn)營及消防安全，跨鐵路及鄰孔設(shè)置鋁合金材質(zhì)防拋屏，總高度為橋面以上2.5 m；

3）上跨海拉鐵路孔跨不設(shè)泄水孔，其他段按間距5 m設(shè)在護(hù)欄內(nèi)側(cè)，泄水孔設(shè)置在標(biāo)高較低一側(cè)，通過集水管集中引至地面排水系統(tǒng)；

4）三廠互通西側(cè)B匝道、LY主線、LZ主線、A匝道以及東側(cè)E匝道在1、2號橋墩施工區(qū)域鄰近鐵路側(cè)設(shè)置鐵絲網(wǎng)隔離，鐵絲網(wǎng)高度為1.5 m，嚴(yán)禁機(jī)械及人員隨意進(jìn)入隔離范圍。

3 高烈度區(qū)橋梁減隔震設(shè)計

經(jīng)歷過2008年汶川地震，抗震設(shè)計思想由原來的單一設(shè)防水準(zhǔn)向基于性能的多水準(zhǔn)設(shè)防方向發(fā)展。抗震設(shè)計方法也由傳統(tǒng)的“強(qiáng)度設(shè)計”轉(zhuǎn)變?yōu)椤把有栽O(shè)計”和“減隔震設(shè)計”。

本工程抗震采用“兩水準(zhǔn)設(shè)防，兩階段設(shè)計”，即E1地震作用下，結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍，進(jìn)行彈性設(shè)計；E2地震作用下，橋梁不倒塌，采用延性或者減隔震設(shè)計[3]。

跨徑30 m小箱梁結(jié)構(gòu)采用LNR水平分散型橡膠支座。E1階段采用彈性設(shè)計，E2階段采用延性設(shè)計，在橋墩預(yù)定位置形成塑性鉸，延長結(jié)構(gòu)周期、耗散地震能量。見圖4。

圖4 橋墩潛在塑性鉸區(qū)域

大跨徑的現(xiàn)澆箱梁或者鋼混組合梁結(jié)構(gòu)采用速度鎖定型變曲率摩擦擺式支座，主要構(gòu)造是在變曲率摩擦擺支座上安裝速度鎖定器，解決普通摩擦擺支座存在的“一墩獨大、不同步工作、軟弱地基易引起共振”等問題[4]。見圖5。

圖5 速度鎖定型變曲率摩擦擺式支座

1）在正常使用階段，墩梁相對速度較慢，速度鎖定器不發(fā)揮作用，滿足正常使用狀態(tài)下的位移。

2）E1地震作用下，墩梁間將產(chǎn)生較快的相對速度，活動型摩擦擺支座上的速度鎖定器將發(fā)揮作用，活動型摩擦擺支座臨時成為固定型摩擦擺支座，橋梁進(jìn)入多個橋墩一起“聯(lián)合抗推，共同抗震”的彈性抗震階段[5]。

3）E2地震作用下，速度鎖定器將活動型摩擦擺支座的上蓋與擺體鎖定，與固定型摩擦擺支座同時打開設(shè)置于擺體與底座之間的支座剪力開關(guān)，橋梁進(jìn)入各支座“同步擺動，聯(lián)合減震”的理想減隔震階段[6]。

4）與等曲率摩擦擺相比，變曲率摩擦擺隔震周期不是固定不變的，能解決隔震結(jié)構(gòu)在遭遇長周期脈沖型地震波激勵時易發(fā)生低頻共振的問題[4]。

4 結(jié)語

在設(shè)計階段，結(jié)合工程實際特點，需要重點考慮高地震烈度的影響。目前，該工程已部分施工完畢，施工質(zhì)量良好，為以后類似項目的建設(shè)提供提供了寶貴的設(shè)計經(jīng)驗。