跨断裂带桥梁抗震设分析

（中咨华科交通建设技术有限公司，北京 100195）

活动断裂对于桥梁的主要危害包括墩台滑动变形、倒塌、落梁等，是影响桥梁工程安全建设与运营的重要地质灾害，是交通建设中必须面对且又亟待解决的关键地质问题之一。在公路工程建设中，对活动断裂采取的措施首选是避让原则，难以避免时则尽量以路基形式通过；如果不可避免的需要桥梁通过时，则需尽量减少穿过的桥墩个数，同时需做好桥梁抗震设计，加强墩台基础抗滑力。国内外对跨断裂带桥梁的研究很少，很难找到此类桥梁的设计资料用以参考。本文结合跨断裂带桥梁工程实例，总结了跨断裂带桥梁的抗震设计经验，为同类型桥梁的设计提供参考与借鉴。

一、工程概述

G7611贵州都匀至云南香格里拉高速公路守望（滇黔界）至红山段（滇川界）段工程是国家高速公路网重要的干线公路之一，也是云南省昭通市“十三五”重点打造项目，贯通川滇黔三省，横亘东西。路线全长96.999km，全线共设桥梁63座，占路线长度的20.78%；全线共设隧道16座，占路线长度的49.79%；桥隧总里程共占比70.58%。

（一）项目区地质构造概况

项目区地处青藏高原东南缘，经历了晋宁运动以来的各期构造变动，断裂构造发育。其中许多断裂带规模宏大，第四纪甚至全新世活动强烈，强震和中强震发生与断裂活动关系密切。区域内活动断裂走向有南北向、北西向、北东向等。以则木河-小江断裂带为界，这些活动断裂的平面展布和活动性具明显的东西分区特征。项目位于则木河-小江断裂带以东，该地区北东向断裂最为发育，它们最新活动时代多在早更新世至中更新世时期，全新世活动的有昭通-鲁甸断裂等。

这些断裂具有如下特征。大多数断裂带延伸长、切割深，属于区域性大断裂或深大断裂带。各断裂带大多经历了较长的地质发育历史，大多属继承性活动断裂，它们对不同时代地层、岩浆岩起控制作用。区域活动断裂与地震密切相关，地震活动大多集中在断层活动性强烈的菱形地块边界附近，震中分布图象与活动构造图象吻合，充分反映出活动断裂对地震的控制作用。

项目区属于扬子准地台上的滇东-黔西台皱带的中部，分布有浅海相碳酸盐岩建造和碎屑岩建造为主的沉积盖层，晚二叠纪时期有水下玄武岩喷发；晚三叠纪时全区变为大陆环境，堆积了红色建造、磨拉石建造。燕山运动使这一地区的沉积盖层发生褶皱、断裂，喜山运动进一步隆起并发生断块差异运动。褶皱、断裂发育，以北东、南北向为主，其次有北西向构造，褶皱构造与断裂走向基本一致，轴向大多为北东、北北东向和南北向。

与项目相交的断裂有鲁甸昭通断裂西支、包谷垴-小河断裂及龙树断裂，均为全新世活动断裂。

营盘大桥位于G7611都匀至香格里拉高速公路守望（滇黔界）至红山（滇川界）段K44+171.5（ZK44+205.5）处，跨越龙树断裂。根据《G7611都匀至香格里拉高速公路守望（滇黔界）至红山（滇川界）段工程场地地震安全性评价报告》（下称地震安评报告），桥位区场地50年超越概率10%的峰值加速度为192gal，对应于0.20g档，场地的地震基本烈度为Ⅷ度。

图1 营盘大桥桥位处地质地貌特征

图2 桥型布置图及钻孔揭露地质纵断

图3 营盘大桥物探成果

龙树断裂（f2-1）又叫龙头山-铅厂断裂，作为昭通断裂带的分支，构成昭通断裂带的反向逆冲断层，主要展布于龙树、龙头山、铅厂一线全长约90km，如图1所示。常祖峰等估算鲁甸-昭通断裂的水平滑动速率为4mm/a，滑动速率为1.3mm/a，龙树断裂作为鲁甸-昭通断裂的西分支，地震安评报告中推测其右旋逆冲引起的右旋水平最大位错为2.5m，垂直最大位错0.8m（南东盘上升）；推测未来百年内的断裂位错量为水平位错0.4m、垂直位错0.1m。

（二）桥位处地质概况

桥位区地貌单元属构造剥蚀中山地貌山间“U”型河谷地貌，河流为龙泉河。坡面局部冲沟较发育，局部为负地形洼。地桥位轴线地面高程介于1561.93m～1574.70m，相对高差12.77m。

地质构造：跨越龙树断裂。

地层岩性：上部覆盖物主要以第四系全新统残坡积成因含砾粉质黏土、角砾土、块石土，冲积成因粉质黏土、含砾粉质黏土、角砾土，下伏基岩为泥盆系中统曲靖组泥质粉砂岩、石英砂岩和奥陶系下统红石崖组泥质粉砂岩组成，岩土种类较多，且多为强风化或全风化，岩体极为破碎。

地下水系：地表水属季节性流水，一般情况下流量、流速均较小。地下水主要为第四系孔隙潜水。

二、地质勘察方案及成果分析

考虑到桥位处于断裂带区，推测该处地质复杂，岩层破碎，因此采用了地质钻探与高密度电法（物探）相结合的勘察手段，勘察结果如图2、图3所示。

从图中可以看出，由于龙树断裂的存在，在活动断层的挤压作用下，桥位处地质情况复杂，岩土种类繁多，岩体极为破碎，结合地震安评报告，该桥设计需要重点考虑以下几个问题：高地震烈度区的抗震设计；活动断裂常年累积的断裂位错量对结构的影响；活动断裂百年内（设计基准期）累计的断裂位错量对结构的影响。

三、跨断裂带桥梁—营盘大桥的设计

（一）桥型方案的选择

桥型方案的选择主要从以下几个方面出发：

根据《公路桥梁抗震设计细则》(TJG/T B02-01-2008)（下称抗震设计细则），该桥属于B类桥梁，桥位区抗震设防烈度为Ⅷ度，且有活动断裂，“宜采用跨径较小便于修复的结构”。

为防止罕遇地震作用下桥梁破坏的连带效应，并方便震后修复、保通，应选择各桥跨独立的结构。

由于活动断裂的断裂位错量会使超静定结构产生次应力，影响结构受力，而这种影响常年累积，不可忽视，因此应选择静定结构。

综合考虑该项目其他桥梁的结构型式。

综合以上分析，该桥最终选择了20m跨结构简支、桥面连续的预制T梁方案。

（二）支座选择

支座选择原则：

保证结构正常受力、满足结构正常伸缩变形；在高地震烈度区能起到减震隔震作用、降低地震对结构的破坏程度；构造简单、易加工、易更换；满足活动断裂常年累积的断裂位错量；尽量满足活动断裂百年内（设计基准期）累计的断裂位错量。

根据以上原则，该桥选取H D R高阻尼抗震支座（HDR(Ⅰ)-d370×177-G1.0），该类支座可以有效地吸收地震能量、减轻地震响应。支座极限位移为0.245m，对于简支结构，相邻的墩台之间的相对极限位移差可达0.49m，大于本桥所跨的龙树断裂未来百年内的断裂水平位错量0.4m，满足要求。

（三）防落梁设计

抗震设计细则中仅简单的提到了应考虑设置防落梁措施，但并未给出具体的结构型式。国内外桥梁抗震规范相关措施及实际应用中，一般以防落梁措施有挡块、防震锚栓及在梁台或墩梁之间设置拉杆3种抗震措施为主。

抗震挡块设置在墩台上，在一定程度上可以起到限位的作用，阻止主梁在地震运动中发生过大位移，从而避免落梁的发生；抗震挡块作为防落梁措施，简单高效，受力明确。防震锚栓则是通过锚栓直接将主梁与墩台连在一起，在限制主梁纵横向位移的同时，也能减弱主梁竖向的震动；其缺点是会对结构产生附加约束，影响结构受力，同时抗震锚栓抗弯能力交叉，易弯折。防落梁拉杆主要是限制纵向落梁，对简支结构、连续结构的两联之间，效果较为明显；防落梁拉杆措施适用于地震烈度较高或跨活动断裂推测相对位移极大的结构，一般是作为最后一道防护措施，在最不利的情况发生时，防止主梁纵向位移超出预期、脱离支座乃至落梁等情况出现。

图4 营盘大桥防落梁缓冲链构造图

根据以上分析，该桥选择在横向横向设置了抗震挡块，并在T梁边挡块与梁肋间、简支端T梁中挡块与梁端隔板间设置了橡胶垫块。

该桥秉承“多道防线、分级耗能”的设计理念和原则，主梁除了抗震挡块外，为防止在超预期地震作用下主梁落梁，同时设置了防落梁缓冲链，如图4所示。

四、结语

断裂带破碎区地质极为复杂，岩体极为破碎，建议采用地质钻探与高密度电法（物探）相结合的勘察方法，尽可能准确掌握地质分布情况，用来指导设计与施工。

做好地震安评工作，要对活动断裂的年位错量、百年内累计位错量有明确的认知，以指导设计。

避免采用大跨径桥梁，优先选用跨径较小便于修复的简支结构。

支座选取原则：满足结构正常受力与变形、有减震隔震作用、构造简单易更换、满足活动断裂常年累积的断裂位错量、尽量满足活动断裂百年内（设计基准期）累计的断裂位错量。

做好防落梁设计。防落梁措施作为罕遇地震下阻止结构落梁的重要措施，是跨断裂带桥梁结构的重要组成部分；建议多重抗震措施（抗震挡块、抗震锚栓、防落梁缓冲链等）相结合，“多道防线、分级耗能”，以期保证重要结构的完整性，避免发生安全事故，且方便震后保通、维修。