高地震烈度強沖刷區域橋梁設計

李 鑫

（安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽合肥 230051）

橋梁工程作為重點性保障工程，其重要性與意義性不言而喻。世界各國對橋梁抗震設計都進行了深入研究，日本經歷1995年的阪神大地震后，受到嚴重損失，開始對結構抗震問題進行大量研究，特別是減振、耗能機制方面，在1996年頒布了日本的抗震設計規范。美國聯邦公路局開展了一系列的橋梁抗震設計規范的修訂和研究工作，在抗震理論方面形成了系統的技術指南。我國2008年對橋梁抗震規范進行了修訂，并于2008年10月頒布實施了《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01—2008），2014年2月頒布實施了《公路工程抗震規范》（JTG/T B02—2013）。規范在設計思想、防護標準、耗能機制、計算及構造等方面進行了較多研究和總結，吸取借鑒了國內外研究成果和標準規范，修訂、增加的主要內容為采用兩階段設防標準，根據橋梁結構等級及地震烈度對抗震驗算進行劃分，在多遇地震和罕遇地震下確定不同的設防標準；增加了延性抗震設計、減隔震設計；細化了抗震計算方法，給出了明確的抗震分析流程圖。規范結合了我國多年來抗震技術方面的研究成果和實踐，同時吸收了日本、歐美等國外的抗震思想。

橋墩基礎局部沖刷系由于橋墩阻流產生的水流沖擊和渦流作用，在橋墩周圍形成的局部河床變形，橋梁的破壞大多數由于洪水沖刷嚴重或橋梁基礎埋深不足。國內外研究成果表明，橋梁沖刷防護措施主要有消能減沖和護底抗沖兩種。護底減沖防護措施主要利用拋石、砂袋、砂枕、軟體排等結構對橋墩基礎核心區、永久防護區防護，以有效抵抗橋墩前沖擊水流產生的底部向下旋滾，將墩側繞流產生的最大流速區調整到防護區外圍，達到明顯折減最大沖刷深度的效果。

1 工程概況

恰克瑪克河西橋（絲路大橋）位于新疆喀什經濟開發區城北轉化加工區，大橋跨越恰克瑪克河，為內陸河是喀什噶爾河支流，源于烏恰縣西北、圖魯噶爾特山南麓，流經喀什市，長度約為166 km，流域面積為3 788 km2；百年一遇設計泄洪流量為1 372 m3/s。

河水主要靠冰雪融水和地下水補給，河道為水流沖擊形成，橋區河道沖刷嚴重，其河道斷面寬度不規則。

依據橋區地形、地貌及水文等相關資料，大橋采用12×30 m預應力混凝土先簡支后連續小箱梁，全長367 m。橋梁寬度37 m，采用雙幅布置，中間設置2 cm縫。

橋梁總體布置如圖1所示。

圖1 恰克瑪克河西橋橋型總體布置

橋梁整體效果圖如圖2所示。

圖2 恰克瑪克河西橋效果圖

2 總體設計

2.1 主要技術標準

（1）橋面寬度。

總寬37 m；橫向布置為0.5 m護欄+4.5 m人非混行道＋2.0 m分隔帶＋11.49 m機動車道+2 cm縫+11.49 m機動車道+2.0 m分隔帶+4.5 m人非混行道+0.5 m護欄。

（2）設計荷載。

汽車荷載：城-A級；人群：按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）取值；結構體系升溫按25 ℃考慮、體系降溫按-25 ℃考慮。

（3）地震烈度。

地震動峰值的加速度為0.3g，地震動反映譜特征周期為0.45 s。地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類場地，按9度設防。

（4）設計水位。

絲路大橋百年一遇設計泄洪流量為1 372 m3/s，折算百年一遇設計水位1 412.6 m。

2.2 上部結構

上部結構采用整體性相對較好、經濟性好、施工簡單的30 m跨預制小箱梁結構。全橋橫向布置12根梁，梁高1.6 m。邊梁梁寬2.85 m，中梁梁寬2.4 m，中間濕接縫寬0.638 m。預制小箱梁采用C50混凝土，預應力采用低松弛高強鋼絞線，公稱直徑Ф15.2 mm，標準強度fpk=1 860 MPa，橋面鋪裝采用12 cm C40防水混凝土。

橫斷面布置如圖3所示。

圖3 恰克瑪克河西橋橋梁橫斷面布置（單位：cm）

2.3 下部結構

橋墩基礎設計采用摩擦樁，樁長根據計算確定。橋臺設計采用U型橋臺擴大基礎，臺帽高為0.7 m，寬度為1.8 m，兩階基礎，每階高為0.75 m；橋墩設計采用樁柱式，柱的直徑為1.4 m，樁基直徑1.6 m。

下部結構設計充分考慮地震影響，增加抗震措施，樁基采用C30水下混凝土；橋臺基礎采用C25混凝土。

2.4 抗震設計

橋址處地震動峰值加速度0.3g，地震動反映譜特征周期為0.45 s。地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類場地。抗震按9度設防，抗震等級較高，依據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01—2008）采取抗震措施[1-2]。

（1）橋梁上部結構選擇閉口斷面的預制小箱梁結構，整體性好，對抵抗地震作用效果較好。

（2）小箱梁跨中存在一道寬20 cm的橫隔梁，為加強小箱梁橫向連接，提高上部結構整體性；增加兩道橫隔梁（即10 m設置一道）；三道橫隔梁厚度均為20 cm。

（3）為防止上部結構在地震作用下縱向落梁，橋梁簡支端每片箱梁底部均設置縱向防落梁緩沖鏈，全橋共設置緩沖鏈96套；緩沖鏈采用340型。

（4）交界墩處伸縮縫兩側梁體設置防落梁拉桿，全橋共設置60根防落梁拉桿。

（5）為防止上部結構在地震作用下橫向落梁，加強橫向抗震擋塊的設計，抗震擋塊高為80 cm，頂部寬45 cm，底部寬65 cm。擋塊和箱梁腹板間設置30 cm×30 cm橡膠墊塊。

（6）伸縮縫橋墩處每片箱梁端部設置一個30 cm×30 cm的橡膠墊塊，橋臺處每片小箱梁與背墻間設置30 cm×30 cm橡膠墊塊，橡膠墊塊均采用在側面及底面預埋角鋼固定，角鋼外露2 cm。

（7）為避免一聯橋內大部分水平力將由固定支座所在橋墩承受，本橋設計采用LNR系列水平力分散型橡膠支座；小箱梁橋連續墩處，每片箱梁底部設置一個LNR-d670×199圓形固定型水平力分散型支座。

（8）小箱梁橋簡支處，每片梁對應設置兩個LNRd345×118圓形滑動型水平力分散型橡膠支座。

（9）依據橋梁地質勘察報告，橋臺采用整體性較好的U型橋臺。

2.5 防沖刷設計

根據水文資料和恰其嘎水文站實測的洪水流量，恰克瑪克河大橋百年一遇設計泄洪流量為1 372 m3/s。

依據《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30—2015）對橋區進行沖刷計算。橋墩一般沖刷深度為2.46 m，局部沖刷深度為1.96 m，總沖刷深度為4.42 m，沖刷較為嚴重，需要采取防沖刷措施[3-4]。

（1）疏浚橋區上下游河道，盡量使河道平順、河勢穩定，減小因河底高低不平導致的局部沖刷。

（2）將橋梁樁基頂部降至一般沖刷線以下，減少樁頂沖刷，避免樁頂出現外露現象。

（3）樁基系梁開挖施工后，在墩柱迎水面采用“護底塊石+級配碎石層+護面塊石層”的防護結構，防護范圍為3倍橋墩直徑，級配碎石層厚0.5 m。塊石規格參考《航道整治工程技術規范》（JTJ 312—2003）和《港口及航道整護岸工程設計與施工規范》（JTJ 300—2000）進行選取。

3 結語

近年來，隨著地震和山體滑坡等自然災害頻繁發生，較多橋梁在地震和水毀中垮塌或喪失工作性能，我國對抗震設防要求也在逐步提高。在高烈度地震區，抗震已經成為橋梁設計的主要控制因素，要求工程技術人員在設計中充分重視抗震結構設計，高度重視橋梁的抗震設防措施。本文以一高烈度強沖刷區域橋梁為工程背景，詳細介紹了橋梁的抗震和防沖刷設計措施，為同類橋梁設計提供借鑒。