应对强震施“妙策”——四川山区桥梁抗震技术发展及工程应用

四川所处的地理环境，决定了山区桥梁建设者必然面临地震灾害影响。自汶川地震以来，四川省的某支抗震设计团队总结典型桥梁震害机理，针对中小跨径桥梁提出了“基于有限位移”的抗震设计思路。同时他们不断克服艰险山区复杂地质条件，立足解决高烈度地区桥梁抗震需求，提出了钢管混凝土桁梁桥、钢管混凝土桥墩等新型抗震结构。当面对山区大跨度悬索桥抗震设计的挑战时，团队勇于技术创新，设计并建成了雅康高速泸定大渡河特大桥、卡哈洛金沙江大桥、西香高速泸沽湖特大桥等示范性工程，推动了四川山区桥梁抗震技术的发展。

四川山区桥梁建设面临的地震灾害

在四川省内，随着西部地区经济的发展及高等级公路的延伸，特别是高速公路及其他等级的国省干线公路由西部中心城市向西部山区延伸，大量公路桥梁需要穿越青藏高原东缘和横断山脉，且多次穿越四川龙门山断裂带、鲜水河断裂带、安宁河断裂带构成的“Y”字形三大活动断裂带。区域内地震烈度及频率较高，且强度大并造成严重的灾害。近50年发生了3次大地震，分别是1976年发生的7.2级松潘地震、2008年发生的8.0级汶川地震及2013年发生的7.0级庐山地震，地震对公路桥梁造成巨大破坏。

图1 四川西部山区断裂带交错

四川中小跨径桥梁独特的

地震损伤特征

团队对四川山区中小跨径桥梁在汶川地震中的震害情况进行了调查分析，在西部山区公路桥梁中，中小跨径的混凝土梁桥占桥梁总数的90%以上。在桥梁地震损害研究中，地震造成的中小跨径梁式桥梁的破坏主要分为三种类型：一是由于地震作用，使桥梁上部结构发生位移，纵横向位移超限与相邻结构发生碰撞，造成桥梁支座、挡块等构件损伤；二是因约束上部结构位移，使桥梁墩柱受力过大，从而产生弯、剪等破坏形式；三是桥梁上部结构在地震引发的惯性力的作用下纵横向位移超限，造成主梁支撑失稳甚至出现落梁的毁坏。

图2 岷江庙子坪大桥落梁

图3 寿江桥第1跨移位

图4 挡块剪切破坏

图5 墩顶剪切破坏

在汶川地震震害统计中，受害的简支梁共计3298跨,其中出现主梁移位的桥跨共643跨，占总跨数的19.5%；支座遭到破坏的比例为16.6%；挡块被破坏的比例为16.8%，接近与主梁发生移位的比例19.5%，而差异主要与滑板支座容许主梁滑移有关。共调查2316个桥墩，其中56个桥墩出现震害，震害率仅为2.3%，完全失效的桥墩仅6个，受到严重破坏（承载力受损）的桥墩也仅有21个。

图6 简支梁桥震害统计

图7 桥墩震害统计

震害统计表明，汶川地震中的中小跨径桥梁震害以主梁移位、支座破坏、挡块破坏为主，桥墩的破坏率较低。对此团队展开了系列试验研究，利用支座在地震中对桥墩的保护作用，提出了“基于有限位移”的中小跨径桥梁抗震设计思路。

四川山区中小跨径桥梁

抗震设计及工程应用

中小跨径混凝土梁桥

抗震设计思路

根据汶川地震中小跨径桥梁的震害及机理分析，针对四川山区中小跨径混凝土桥梁抗震设计了提出“基于有限位移”的抗震设计思路。优先考虑使用板式橡胶支座,允许主梁与支座出现有限的相对位移,以释放上部结构地震作用从而保护桥墩,而不再将支座作为能力保护构件。汶川地震灾后恢复重建数据表明,主梁复位的费用较桥墩的维修加固费用低36.7%,保护桥墩比保护支座更为重要。这一设计方法可以采用价格低廉的板式橡胶支座起到部分隔震作用,有效减少了由于采用减隔震支座而大幅增加的建设费用。

“基于有限位移”的抗震设计思路，对山区较短的单联桥选用传统橡胶支座的剪切变形和相对滑动来保护桥墩，并采用桥台约束方式防止落梁。此外，适当增加桥台后壁厚度，在背墙与主梁之间设置冲击缓冲装置（如橡胶垫），不仅减轻了地震对桥台的破坏，而且使桥台起到了限制主梁位移的作用。

对于长联桥梁，虽然板式橡胶支座的剪切变形和相对滑动是为了保护桥墩，但由于水平位移的积累同样存在落梁的风险。因此，对长联桥采用中间设置限位墩的方式，结合桥台限位，有效利用橡胶支座的剪切变形、相对滑动防止落梁发生，节约成本。

轻量化上部结构

在四川山区中小跨径桥梁建设中，新型抗震结构也在不断发展，在川西高烈度山区，建设用砂石资源日益枯竭。目前，传统的混凝土桥梁自重大，地震响应也大，应用于高烈度地区的设计难度较高。因此，基于上部结构轻量化的设计思路，研究团队提出了钢管混凝土桁梁桥的抗震新结构。

汶川至马尔康高速公路上的克枯大桥，邻近5.12汶川地震龙门山活动断裂带，E2地震动峰值加速度为0.35g。克枯大桥主梁采用标准跨径的30m、40m简支结构，用钢管混凝土主桁梁与钢-混凝土组合桥面板组成主梁结构并通过钢管混凝土柱式墩与钢筋混凝土桩基连接形成下部结构。

图8 汶马高速克枯大桥

与混凝土T型梁相比，采用钢管混凝土桁梁上部结构重量减轻了35%，地震响应降低了约37%，从根本上提高了桥梁结构的抗震性能，而其造价则与混凝土梁桥相当。钢管混凝土桁梁桥用钢量仅为224kg/m2，与钢梁桥相比，具有刚度大、用钢量低的优点，节约投资40%。同时，钢管混凝土桁梁桥可以实现80%的工厂化制造，具有现场快速安装，施工占地小的优点。

此外，钢管混凝土桥墩比钢筋砼桥墩具有更好的抗震延性、承载力和耗能性能。钢管既作为施工时的模板临时结构，也可作为成桥后的受力结构，从而节省了拆模周期，实现了永临一体化施工设计理念。

图9 钢管混凝土桥墩

四川山区大跨径悬索桥

抗震技术应用

受山区复杂的地形地貌、恶劣的地质条件限制，四川山区桥梁的建设逐渐由中小跨径桥梁向大跨径桥梁发展，桥型选择也由中小跨径的梁桥、拱桥向大跨径的斜拉桥、悬索桥转变。近年来山区大跨度悬索桥高墩高塔抗震设计是四川省高烈度山区大跨度桥梁建设的一大难题。

组合结构与耗能构件的

巧妙结合

2018年建成通车的雅康高速泸定大渡河特大桥，为单跨1100m钢桁梁悬索桥。大桥处于龙门山断裂带和鲜水河断裂带形成的“Y字型断裂带”交汇处，E2地震动峰值加速度达到0.49g。大跨径悬索桥本身为柔性结构，其抗震设计的难点为在高烈度地震作用下控制桥塔自身的地震响应。由于运输条件限制，该桥采用了混凝土桥塔方案，两岸均为塔高188m的门式框架桥塔。超高的塔柱与极高的地震动峰值加速度为该桥的抗震设计带来了巨大的挑战。对此，项目设计团队在纵向与横向抗震设计中采用了两项新型抗震结构：波形钢腹板组合横梁与铰接式耗能中央扣。

图10 雅康高速泸定大渡河特大桥

对于门式框架桥塔的横向抗震设计，其横梁的刚度与重力对桥塔的整体横向地震响应影响最为显著。对此设计团队创新采用了波形钢腹板与预应力混凝土顶底板的组合结构，充分利用了两者的结构特点和受力特征，克服了混凝土横梁抗剪能力难以满足抗震要求和钢横梁塔-梁连结构造复杂、施工质量难以保证等困难。波纹钢腹板横梁重量比混凝土梁轻，轴向刚度小，同时保留较高的抗剪强度。地震响应分析表明，波形钢腹板横梁有效降低了桥塔的整体横向刚度，与混凝土横梁相比，此方案使桥塔横向地震响应降低了25%。

图11 波纹钢腹板横梁

对于大跨径悬索桥的纵向抗震设计而言，以往的工程经验表明，梁端阻尼器与中央扣的应用能有效减少桥塔与主梁梁端在地震作用下的位移、减小桥塔纵向地震响应。传统的柔性中央扣仅单向受拉状态协调主梁与桥塔在地震作用下的位移，刚性中央扣在强震作用下会因刚性连接而带来更大的二次应力，在压缩区域容易屈曲失效。对此，设计团队创新性使用了铰接式耗能中央扣，其两端铰接用于传递轴向力，而不是弯矩，以避免刚性连接引起的二次应力，且铰接式耗能中央扣由防屈曲支撑材料制成，在拉压状态下均能起到耗能作用，可进一步降低桥塔的地震响应，减少梁端在地震作用下的位移。

图12 铰接式耗能中央扣

通过项目团队的研究，最终确定了泸定大渡河大桥采用“耗能型铰接式中央扣+波形钢腹板索塔钢混组合横梁+梁端阻尼器”的悬索桥综合减震体系，降低了索塔纵向、横向地震动响应分别为20%、25%，减小梁体纵向位移70%，科学地解决了强震区特大跨径悬索桥钢筋混凝土索塔无法适应抗震要求的技术难题，节省大量投资。

钢管混凝土组合桥塔

四川沿江高速上的卡哈洛金沙江大桥，于2020年开工建设，2024年9月20日合龙，预计于2025年具备通车条件。该桥为1030m单跨悬索桥，地震基本烈度Ⅶ度，地表基本地震动峰值加速度为0.185g。是悬索桥中首次采用钢管混凝土组合桥塔。

钢管混凝土组合桥塔设计理念来源于框架-剪力墙结构，以钢管混凝土桁架作为桥塔纵向和横向的框架，满足桥塔的承载能力要求，以外包混凝土结构作为剪力墙，满足桥塔结构的变形需求。

图13 框架—剪力墙构造

与钢筋混凝土桥塔相比，钢管混凝土组合桥塔通过利用高强材料减小截面，减轻自重约21%，提高桥塔抗震能力，且并未增加造价。同时，由于桥塔自重减小，地震力减弱，从而使基础规模大幅缩减，其造价降低约23.8%。

图14 卡哈洛金沙江大桥钢管混凝土组合桥塔

山区大跨度高塔悬索桥

抗震设计的进一步挑战

在建中的西香高速泸沽湖特大桥为一座1680m单跨悬索桥，为当前世界最大跨径山区悬索桥。该桥宽跨比仅为1/60，桥位处山区风场复杂，面临着显著的抗风设计难题。同时该桥地震设防烈度为Ⅷ度，E2地震动峰值加速度为0.493g，地震动峰值加速度与泸定大渡河大桥相当，但该桥香格里拉岸的塔高达到283m（大渡河大桥仅188m），抗震设计难度更大。

面对抗风与抗震设计的双重挑战，设计团队从桥塔的几何构型和结构形式两方面，开展了塔型的方案比选。一方面，他们采用空间缆提高桥梁在山区复杂风场条件下的抗风能力，并选用A型桥塔适配空间缆以提高桥塔的抗震能力。研究表明，A形塔与H形塔纵向地震响应相当，桥面以上塔柱横向地震响应弯矩显著降低，可进一步减小截面尺寸，减轻塔柱重力；同时，A型塔可有效减小塔顶横向位移，与H形塔相比，缩短位移可达35%，显著减小塔柱的P-delta效应，明显地提高桥塔的横向抗震性能。另一方面，设计团队对混凝土桥塔和钢管混凝土组合桥塔的适用性展开了对比研究，进一步提出了适宜山区大跨度高塔悬索桥的桥塔塔型和结构形式。对比分析表明，混凝土桥塔结构尺寸及重力均大，结构对地震响应亦大，由于A形桥塔内倾角度较大，若采用钢筋混凝土桥塔则主动横撑较多，增增加施工难度；若选择钢管混凝土组合桥塔，由于桥塔高度较高，会产生外包混凝土施工工期长，较多的隔板影响爬模施工效率等问题，且钢管尺寸较大，直径超过2.5m，在山区建设条件下运输受限。

针对上述情况，设计团队在方案研究中进一步提出了钢管&钢壳-混凝土组合桥塔方案，即塔身由钢管混凝土与钢箱混凝土组合而成。钢腹板可作为混凝土模板，从而节省了爬模施工周期，实现永临一体化施工设计理念，同时钢管直径可减小至1.8m，进一步减轻桥塔重量,降低了地震响应。

图15 钢管&钢壳-混凝土组合桥塔节段

经对比分析，耗能型中央扣+梁端阻尼器仍是有效的降低纵向地震响应的措施，西香高速泸沽湖特大桥最终采用钢管&钢壳-混凝土组合塔，再选择A型塔+空间缆的模式及梁端阻尼器+耗能型中央扣的组合形式,共同构成综合抗震体系。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2024年 第5期 总第121期

作者 / 刘振宇 邓力文

作者单位 / 四川省公路规划勘察设计研究院有限责任公司

编辑 / 陈晖

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 王硕 廖玲

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