花园路与连霍高速公路互通立交新建工程桥梁抗震概念分析

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摘要： 桥梁的抗震设计是整个桥梁设计的重要环节，概念设计是整个抗震设计的开端和贯彻全过程的主线。尤其是匝道桥梁的结构和受力尤其特殊性，本文针对花园路与连霍高速公路互通立交新建工程匝道桥梁的特点进行抗震概念设计研究，对此类桥位的选择，桥梁结构方案的选择，桥梁细节构造，桥梁延性设计及其它需要注意的问题进行了探讨。

关键词： 概念设计 ； 抗震 ；桥梁 ；匝道；延性

中图分类号：U448文献标识码： A

引言

郑州市花园路与连霍高速公路互通立交，是郑州市城市路网中的一个重要节点，其中花园路是郑州市区南北方向的主要交通通道，是郑州市唯一的一条绿色通道，也是郑州市主要交通北出口之一。连霍高速公路郑州段是交通部规划的连云港至霍尔果斯国家主干道的组成部分，也是河南省交通最繁忙的路网中的一段，它横穿郑州市北部地区，是郑州市快速路网中的重要骨架道路。花园路立交桥梁工程：包括C匝道（跨连霍高速）桥、C匝道（跨花园路）桥、J匝道桥、K匝道桥、L匝道桥、M匝道桥、N匝道桥。本文只对C匝道（跨连霍高速）桥梁的抗震概念进行探讨。

C匝道（跨连霍高速）桥：跨径布置为（4x20m+4x20m）钢筋混凝土连续梁+（40.5m+39.5m）钢结构连续梁+（4x20m,4x20m）钢筋混凝土连续梁，部分桥段位于R＝67.75m曲线上。上部结构采用单箱多室斜腹板带圆弧断面，下部结构采用双柱式桥墩，采用矩形带弧形形式，墩顶设置横系梁，基础采用4根φ1.2m钻孔灌注桩。

图1C匝道(跨连霍高速)桥型布置图（单位: cm）

图2C匝道(跨连霍高速)桥桥墩横断面图（单位: cm）

基于抗震设计在城市桥梁设计工作中的重要作用和意义，在花园路立交设计工作中， 抗震设计作为一条红线贯穿于设计工作的全过程。桥梁结构的抗震设计，包括两个范畴：概念设计和参数设计，这两者是相辅相成的。概念设计是桥梁结构设计的一个重要环节，在欧美规范中，在抗震的概念设计非常重视。经验表明：对结构抗震设计来说，概念设计比结构计算设计更为重要，结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。由于地震动的不确定性和复杂性，以及结构计算模型与实际情况的的差异，难以保证理论计算分析与实际情况完全吻合。作为正确的抗震设计，必须重视抗震概念设计，灵活而又合理地运用抗震设计思想，使计算工作不至于盲目而且更有针对性；同时，通过计算，可以对桥梁的抗震概念设计进行验证，或者对概念设计中考虑不周到的地方进行修正。

1桥梁抗震设计基本原则

结构抗震设计采用的是“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三级设防思想。《公路桥梁抗震设计细则》采用的是两水平设防，两阶段设计。第一阶段的抗震设计，采用弹性抗震设计，第二阶段采的抗震设计，采用延性抗震设计方法，并引入能力保护设计原则。通过第一阶段的抗震设计，即对应E1地震作用的抗震设计，可达到和原规范基本相当的抗震设防水平。通过第二阶段的抗震设计，即对应E2地震作用的抗震设计，来保证结构具有足够的延性能力，通过验算，确保结构的延性能力大于延性需求。

2桥位选择

选择桥梁建设场址时，应根据桥梁工程的需要，全面掌握场址处的地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料做出综合分析。应避免将桥址选择在地质情况不良的地方：断层、易产生滑坡的陡峭的山区、存在容易液化砂土或软弱夹层的坡地、大面积采空区等；而开阔、平坦地带的基岩、坚实的碎石地基、坚硬场地土或密实均匀的中硬场地是桥梁选址的有利地区。如必须设置在可液化或松软土层的河岸地段时，桥长应适当增长，将桥台置于稳定的河岸上，而桥墩基础要加强。

3结构方案的选择

3.1 立交匝道桥特点

互通立交的匝道桥，受地形、地物和占地面积等影响，其总体布局跟其他桥梁相比，有以下特点：

a)由于互动立交区匝道的最小平曲线半径可达到30m，如果桥梁刚好位于小半径曲线上，则该桥就可能做成曲线桥梁，且往往超高值较大，故桥梁的横坡较大；

b)由于要在短距离内实现高差，匝道桥往往纵坡较大；

c)桥面较窄；

d)匝道桥有时候要跨越主线或其他匝道，以及非机动车道，因此匝道桥的单跨跨径受到限制，不能减小。

综上所述，不难得出，匝道桥具有斜、弯、坡、异形等特点，属于不规则桥梁，在地震作用下的响应比较特殊，其抗震设计将更复杂，不仅要满足常规桥梁所规定的构造，而且在某些方面需要提出更高的要求。震害表明，曲线梁桥具有较高的地震易损性，薄弱环节较多，因此其抗震概念设计就显得尤为重要。

3.2 上部结构

由于匝道桥自身的特殊性，受力复杂，需要采用抗扭刚度较大的截面，且桥梁上部结构的整体性要好。因此，尽量选取具有连续的上部结构形式，避免采用松散的简支梁形式，减少伸缩缝，以防止落梁。抗弯、抗扭性能强，整体性强的现浇箱型的截面形式，是较为理想的城市桥梁抗震设计的备选结构截面形式。

3.3 下部结构

3.3.1 桥墩的形式

匝道桥一般相对较窄，桥墩一般采用双柱墩或者独柱墩，桥墩的刚度相对较小。在地震作用下墩身的弯矩和剪力一般不大，但是位移相对较大，如有较好的限位措施，对于抗震来说，未必是不利的。而对于小半径匝道桥来说，地震作用下，可能会导致桥墩会产生较大的扭矩，所以桥墩墩身宜采用抗扭刚度相对较大且整体性较好的结构，如独柱实心墩或者空心墩，如采用双柱式墩，应对其进行全桥空间地震响应分析，对关键部位进行加强。

3.3.2 桥墩的刚度

对于连续梁桥，同一联内各桥墩的高度不同而导致其抗推刚度相差较大，则水平地震力在各墩间的分配不均衡，刚度大的墩将承受较大的水平地震力，严重时可能导致刚度较大的桥墩发生破坏，从而导致全桥损毁。如果刚度中心和质量中心偏离，上部结构还将伴随产生水平转动，又可能导致落梁或者上部结构的碰撞，而匝道桥恰好容易符合这两个条件：纵坡较大，桥墩高差将会比较大；在小半径曲线上，地震作用下可能会出现上部结构的水平转动。

虽然匝道桥的桥墩高度相差较大，可以通过改变桥墩截面的形式或大小来对其抗推刚度进行调节。对于相对较高的桥墩，可以采用刚度较大的截面形式，或者增加其截面尺寸。如此一来，可以使得地震作用下各桥墩的水平地震相应达到均衡。

如果桥梁位于小半径曲线上，地震来临时，桥墩承受的水平力方向是不确定的，且有扭矩的存在。因此，桥墩截面的刚度在各个方向大致相同将会是比较好的处理方法。

3.3.3 桥墩的配筋方式

提高桥墩的延性对其抗震性能作用巨大，配置数量足够的，锚固合理的横向钢筋，对于墩柱来说，可以起到三个方面的作用：约束塑性铰区域内的混凝土，提高混凝土的抗压强度和延性；提高抗剪能力；防止纵向钢筋压曲。因此，箍筋或螺旋筋的间距应小一些。各国抗震设计规范对塑性铰区横向钢筋的最小配筋率都作了具体的规定。

图3C匝道(跨连霍高速)桥桥墩横断面配筋图（单位: cm）

4桥梁细节构造

4.1 支座

为保证桥梁刚度和质量的平衡，设计时应优先考虑采用等跨径、等墩高、等桥面宽度的结构形式。如不能满足也可通过调整墩柱的截面尺寸和支座等方法来改善桥的平衡情况。其中，调整支座可能是最简单易行的办法了，效果也显著。当采用橡胶支座后，由墩和支座构成的串联体系的水平刚度为:

Kt=KzKp/(Kz+Kp)

其中：Kt是由墩和支座构成的串联体系的水平刚度，Kz和Kp分别为橡胶支座的剪切刚度和桥墩的水平刚度。

水平地震力就是根据各墩串联体系的水平刚度按比例进行分配的。从上式可以看出，调整支座的刚度可以有效的调整各墩位处的刚度平衡。另外，如果地震设防烈度较高，须考虑将支座设计成抗震支座，以达到减、隔震的目的。

4.2 梁连接方式

匝道桥，尤其处于小半径曲线上的桥梁，桥梁应采用挡块、螺栓连接和钢夹板连接等防止纵横向落梁的措施。

图4C匝道(跨连霍高速)桥梁纵向抗震连接构造立面图（单位: cm）

图5C匝道(跨连霍高速)桥桥墩横向抗震挡块构造立面图（单位: cm）

5桥梁延性设计

我国在2008年颁布实施的《公路桥梁抗震设计细则》中增加了桥梁延性抗震设计和能力保护原则有关规定，增加了延性构造细节设计的有关规定，以期增加初始强度没有明显变化的情况下的非弹性变形能力，避免结构在大震中倒塌。

新西兰学者鲍雷等提出了能力设计原理。在新西兰最先广泛应用能力设计方法，其他国家也先后在各自的结构抗震设计规范中采纳应用了能力设计原理的一些基本概念。能力设计强调构件之间的安全度差异，通过这种差异，保证结构在强震中延性形式的出现，避免发生脆性破坏。同时为了保证结构在强震中延性形式的出现，在高烈度震区桥梁设计中应该重视延性构建的细部设计。

6结语

匝道桥由于其特殊性，在抗震设计中应予以特别关注。概念设计可以总体上把握桥梁的抗震性能，在桥梁抗震设计中起到指导性的重要作用。只有根据具体工程，始终坚持将桥梁的抗震思想贯彻于桥梁设计的全过程，按照桥梁抗震原则，具体实施设计工作，采取一系列有效的抗震措施。才能达到结构的良好的抗震效果。

参考文献

[1] JTG/T B02-2008，公路桥梁抗震设计细则[S].北京：人民交通出版社，2008.

[2] CJJ 166-2011，城市桥梁抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3] 范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社，1997.

[4] 范立础，卓卫东.桥梁延性抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.