跨越活斷層跨海大橋抗震設計研究

陳忠波

（重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

1 概述

橋梁工程區域若處于地震帶，尤其是該橋梁工程穿越活動斷裂帶，一般采用的處理方法：一是重新選擇或者優化路線方便避開該活動斷裂帶；二是采用路基的形式通過該活動斷層。穿越活動斷裂帶的橋梁工程，現今國內外相關工程實例和相關研究很少，所以可用于借鑒的相關經驗及其處理方法與措施也較少。

已有規范中對橋梁工程區域內存在活動斷裂帶，通常采用避讓原則，其中對活動斷層區域內工程的避讓方案有時間避讓和空間避讓兩種可選擇的方案。時間避讓：將工程使用期合理限制于斷層穩定期限內，這樣可以在斷裂帶處于穩定時期內，使得橋梁工程的的安全質量的到有效保障。空間避讓：保證橋梁工程距離斷裂帶有充足的安全距離，而且現今為止，避讓距離是針對一般情況統計出來的結果。

2 地震響應分析

為保證數值模擬分析結果的準確性與實際工程的符合性。進行的數值模擬參數根據其他跨海大橋實際工程有限元分研究進行取值。利用ANSYS 建立主橋有限元分析模型，主橋為獨塔斜拉橋，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據庫中的典型速度脈沖型加速度記錄作為地震動輸入，近斷層地震動參數輸入如表1。通過時域疊加小波函數法將地震動加速度峰值調整到0.35g，阻尼比0.05，由此得出的加速度反應譜曲線[1]如圖1 所示。通過模型分析由脈沖效應引起的結構位移響應和動力響應。

眾多研究認為對中和長周期結構有較大影響是由近斷層地震動的速度脈沖引起的[2]。跨海大橋在未考慮減震裝置的情況下地震響應如表2 所示。通過表1 與圖1 得出以下結論：①在橋塔順橋向振動模態的周期為2.71s 時，Chi-Chi-052 和Chi-Chi-102 地震動輸入所對應主梁與塔頂縱向位移，塔底彎矩比其他地震動輸入大很多，并具有較大的地震能量；②塔的縱向彎曲振動是引起縱向位移的主要原因，因此縱向位移幾乎相同的結構為梁端和塔；③由于近斷層地震在長周期脈沖作用影響下，以遞增的方式進行能量釋放，并且需要在短時間內消耗此能量，故對橋梁結構的破壞程度很大。脈沖周期與峰值地面速度的乘積越大，而地震響應也越大[3]。隨著脈沖周期持續時間增加，峰值地面速度與峰值地面加速度的比值越大，由此地震相關響應越明顯。

表1 近斷層地震動參數

表2 未考慮減震裝置時響應

3 跨活斷層區抗震設計

為了適應在地震作用下斷層發生較大的錯位，橋梁工程采用簡支的方式穿越活動斷裂帶。由于地震作用可能使非活動斷裂帶被激活，而在非活動斷裂帶區域范圍內的橋梁結構同樣采用簡支鋼箱梁結構[4]。減少伸縮縫設置提高了橋梁的使用功能的舒適性。斷裂帶在發生錯位后，橋梁結構的上部結構通常都很難滿足其容許位移，會導致落梁現象的發生。

3.1 近斷層區抗震設計

圖1 加速度反應譜曲線圖

圖2 落梁托架及二級墊石布置圖

按照力學性質對斜拉橋基本約束體系進行對比分析，并考慮到橋跨度不大，因此橋的整體剛度相應增加。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間最長、剛度最小，而且在地震作用下橋梁的位移響應也最大，其優點是塔柱的內力響應很小，所需的基礎規模小。

在高烈度地震區時，采用設置阻尼器用來防止地震作用過大而產生較大的內力響應以及位移響應。考慮到主梁運營時期計算出來的結果，在塔、梁之間設置豎向支座可以有效減少地震作用的不利影響。在基本風速較高的地區，橫向支承體系選用E 型鋼阻尼器，用來滿足抗震需要，同時兼顧抗風需要。

通過E 型鋼阻尼器與其他軟鋼阻尼器對比可知，有以下優點：①具有合理的形式結構，相對穩定的阻尼性能，具有良好的耗能性能；②耗能元件進入塑性階段時不會出現應力集中，因此材料得到充分利用；③由于E 型鋼阻尼器的結構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較低，有效的增加橋梁的固有周期，大大加強了橋梁的隔震效果[5-6]。

3.2 跨活動斷層跨海大橋引橋抗震設計

活動斷裂帶在地震作用下可發生較大位移時，為保證橋梁結構在發生錯位后，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。在活動斷裂帶與非活動斷裂帶之間的區域設置緩沖跨，用鋼箱梁簡支結構的方式修建緩沖跨的上部結構。由于修建時對緩沖跨的支座進行墊石處理，即使活動斷裂帶發生錯位，也可以通過調整緩沖跨墊石高度達到橋梁結構的平順。而采用的墊石為鋼墊石，這種墊石內部用微膨脹混凝土填充和設置橡膠塊，能有效減少由于梁掉落撞擊產生的大沖擊力。

3.3 跨活動斷層跨海大橋防落梁抗震設計

跨海大橋所處活動斷裂帶具有較大的水平錯位時，當橋梁結構搭接長度無法滿足地震作用下錯位要求，則此處橋梁結構將會發生落梁現象。以防落梁破壞，在活動斷裂帶區域范圍內設置防落梁托架能有效避免這種現象[7]。在發生落梁時，可能出現由于鋼箱梁掉落至托架上而對下部結構產生較大的撞擊力，從而使得下部結構二次破壞，通過在已設置墊石的基礎上再次設置鋪設橡膠塊的二級墊石，能有效的減少沖擊力對下部結構的破壞程度。落梁托架及二級墊石布置圖如圖2 所示。

4 結論

對跨海大橋跨越活動斷裂帶時，由于地震作用而引起的橋梁結構的內力及位移響應的分析，對跨海大橋跨越活動斷裂帶時進行抗震設計分析與思考，得出以下結論，希望對以后面對相似工程實例的工程師提供參考。

4.1 在修建跨海大橋時，若該橋梁工程需要跨越斷裂帶，首先應選擇避讓原則。如果在路線限制和遇到無法避開的其他因素時，在該橋梁工程設計之前應對該區域進行海底斷層準確勘探，為選擇適當的主橋橋位、選擇合理的橋型和合適的橋跨布置提供可靠的依據。

4.2 跨海大橋位于高烈度地區時，在橋梁結構中設置阻尼器，可以使得關鍵部位的結構位移明顯減少，從而很大程度上改善了橋梁結構的受力情況。

4.3 位于斷層區域內或地震烈度較高的地區，橋梁基本約束體系的選擇至關重要。半漂浮體系+阻尼裝置體系使得橋梁結構具有較小的剛度，從而使得結構內力響應也相應減少。

4.4 在跨海橋梁工程中可能出現落梁或其類似的結構掉落工程事故，通過在結構上鋪設橡膠塊，能有效地減小沖擊作用，從而防止結構或構件在較大的沖擊力下發生脆性破壞。