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跨越活断层跨海大桥抗震设计研究

发表时间：2021/9/3 来源：《建筑科技》2021年9月中作者：黄德春

[导读] 随着国内高铁的快速发展，桥梁工程也以蓬勃之势迅速发展。国内跨江、跨山谷高铁等技术已相当成熟，跨海大桥建设在世界桥梁工程中也取得了瞩目的成就。

南京市市政设计研究院有限责任公司重庆分公司黄德春重庆 401120

摘要：随着国内高铁的快速发展，桥梁工程也以蓬勃之势迅速发展。国内跨江、跨山谷高铁等技术已相当成熟，跨海大桥建设在世界桥梁工程中也取得了瞩目的成就。但在跨越活断层地区修建大跨径跨海大桥是相当的困难，国内相关技术并不是很成熟。本文通过有限元建模对跨海大桥进行地震响应分析，研究跨越活断层区域桥梁近断层及跨活断层抗震设计，为以后类似工程提供有用的参考。
关键词：跨海大桥；地震响应分析；近断层；活断层；抗震设计；
        1概述
        桥梁工程区域若处于地震带，尤其是该桥梁工程穿越活动断裂带，一般采用的处理方法：一是重新选择或者优化路线方便避开该活动断裂带；二是采用路基的形式通过该活动断层。穿越活动断裂带的桥梁工程，现今国内外相关工程实例和相关研究很少，所以可用于借鉴的相关经验及其处理方法与措施也较少。
        已有规范中对桥梁工程区域内存在活动断裂带，通常采用避让原则，其中对活动断层区域内工程的避让方案有时间避让和空间避让两种可选择的方案。时间避让：将工程使用期合理限制于断层稳定期限内，这样可以在断裂带处于稳定时期内，使得桥梁工程的安全质量得到有效保障。空间避让：保证桥梁工程距离断裂带有充足的安全距离，而且现今为止，避让距离是针对一般情况统计出来的结果。
        2地震响应分析
        为保证数值模拟分析结果的准确性与实际工程的符合性。进行的数值模拟参数根据其他跨海大桥实际工程有限元分析研究进行取值。利用ANSYS建立主桥有限元分析模型，主桥为独塔斜拉桥，其跨度为（200+200）m，用扁平钢箱梁作为该桥主梁。选取4条来自太平洋地震工程研究中心数据库中的典型速度脉冲型加速度记录作为地震动输入。通过时域叠加小波函数法将地震动加速度峰值调整到0.35g，阻尼比0.05，由此得出的加速度反应谱曲线如图1所示。通过模型分析由脉冲效应引起的结构位移响应和动力响应。

        图1 加速度反应谱曲线图
        众多研究认为对中和长周期结构有较大影响是由近断层地震动的速度脉冲引起的。(1）在桥塔顺桥向振动模态的周期为2.71s时，Chi-Chi-052和Chi-Chi-102地震动输入所对应主梁与塔顶纵向位移，塔底弯矩比其他地震动输入大很多，并具有较大的地震能量；(2）塔的纵向弯曲振动是引起纵向位移的主要原因，因此纵向位移几乎相同的结构为梁端和塔；(3）由于近断层地震在长周期脉冲作用影响下，以递增的方式进行能量释放，并且需要在短时间内消耗此能量，故对桥梁结构的破坏程度很大。脉冲周期与峰值地面速度的乘积越大，而地震响应也越大。随着脉冲周期持续时间增加，峰值地面速度与峰值地面加速度的比值越大，由此地震相关响应越明显。
        3跨活断层区抗震设计
        为了适应在地震作用下断层发生较大的错位，桥梁工程采用简支的方式穿越活动断裂带。由于地震作用可能使非活动断裂带被激活，而在非活动断裂带区域范围内的桥梁结构同样采用简支钢箱梁结构。减少伸缩缝设置提高了桥梁的使用功能的舒适性。断裂带在发生错位后，桥梁结构的上部结构通常都很难满足其容许位移，会导致落梁现象的发生。
        3.1近断层区抗震设计
        按照力学性质对斜拉桥基本约束体系进行对比分析，并考虑到桥跨度不大，因此桥的整体刚度相应增加。最终选择采用半漂浮体系作为铺前大桥基本约束体系，半漂浮体系顺桥向周期最时间最长、刚度最小，而且在地震作用下桥梁的位移响应也最大，其优点是塔柱的内力响应很小，所需的基础规模小。
        在高烈度地震区时，采用设置阻尼器用来防止地震作用过大而产生较大的内力响应以及位移响应。考虑到主梁运营时期计算出来的结果，在塔、梁之间设置竖向支座可以有效减少地震作用的不利影响。在基本风速较高的地区，横向支撑体系选用E型钢阻尼器，用来满足抗震需要，同时兼顾抗风需要。
        通过E型钢阻尼器与其他软钢阻尼器对比可知，有以下优点：(1）具有合理的形式结构，相对稳定的阻尼性能，具有良好的耗能性能；(2）耗能元件进入塑性阶段时不会出现应力集中，因此材料得到充分利用；(3）由于E型钢阻尼器的结构形式和支座能够很好地组合起来，因此在桥梁安装与更换中都十分方便。在桥梁工程中使用E型钢阻尼器刚度相对较低，有效地增加桥梁的固有周期，大大加强了桥梁的隔震效果。
        3.2跨活动断层跨海大桥引桥抗震设计
        活动断裂带在地震作用下可发生较大位移时，为保证桥梁结构在发生错位后，仍能够通过震后维修使其具有整体线性的平顺，而不影响该桥梁路面行车的正常通行。在活动断裂带与非活动断裂带之间的区域设置缓冲跨，用钢箱梁简支结构的方式修建缓冲跨的上部结构。由于修建时对缓冲跨的支座进行垫石处理，即使活动断裂带发生错位，也可以通过调整缓冲跨垫石高度达到桥梁结构的平顺。而采用的垫石为钢垫石，这种垫石内部用微膨胀混凝土填充和设置橡胶块，能有效减少由于梁掉落撞击产生的大冲击力。
        3.3跨活动断层跨海大桥防落梁抗震设计
        跨海大桥所处活动断裂带具有较大的水平错位时，当桥梁结构搭接长度无法满足地震作用下错位要求，则此处桥梁结构将会发生落梁现象。以防落梁破坏，在活动断裂带区域范围内设置防落梁托架能有效避免这种现象。在发生落梁时，可能出现由于钢箱梁掉落至托架上而对下部结构产生较大的撞击力，从而使得下部结构二次破坏，通过在已设置垫石的基础上再次设置铺设橡胶块的二级垫石，能有效地减少冲击力对下部结构的破坏程度。
        4结论
        对跨海大桥跨越活动断裂带时，由于地震作用而引起的桥梁结构的内力及位移响应的分析，对跨海大桥跨越活动断裂带时进行抗震设计分析与思考，得出以下结论，希望对以后面对相似工程实例的工程师提供参考。
        4.1在修建跨海大桥时，若该桥梁工程需要跨越断裂带，首先应选择避让原则。如果在路线限制和遇到无法避开的其他因素时，在该桥梁工程设计之前应对该区域进行海底断层准确勘探，为选择适当的主桥桥位、选择合理的桥型和合适的桥跨布置提供可靠的依据。
        4.2跨海大桥位于高烈度地区时，在桥梁结构中设置阻尼器，可以使得关键部位的结构位移明显减少，从而很大程度上改善了桥梁结构的受力情况。
        4.3位于断层区域内或地震烈度较高的地区，桥梁基本约束体系的选择至关重要。半漂浮体系+阻尼装置体系使得桥梁结构具有较小的刚度，从而使得结构内力响应也相应减少。
        4.4在跨海桥梁工程中可能出现落梁或其类似的结构掉落工程事故，通过在结构上铺设橡胶块，能有效地减小冲击作用，从而防止结构或构件在较大的冲击力下发生脆性破坏。
参考文献
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