林 蓉

(中國鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

我國位于世界上環(huán)太平洋和亞歐兩大地震帶之間，是全球大陸地區(qū)中最活躍的地震區(qū)之一。地震在空間上往往沿著構造活動帶呈帶狀分布，形成地震帶。我國境內(nèi)有23個地震帶，地震活動具有頻次高、強度大且分布廣的基本特點。強烈的地震，如唐山、海城、邢臺等大地震，特別是2008年的“5·12”汶川大地震，會對橋梁結構造成了嚴重的危害及破壞。橋梁作為重要的社會基礎設施，具有投資大、公共性強、維護管理困難的特點。橋梁同時又是抗震防災、危機管理系統(tǒng)的一個重要組成部分，提高橋梁的抗震性能是減輕地震損失、加強區(qū)域安全的基本措施之一。地震中橋梁設施的損壞、倒塌所帶來的影響常常超過了橋梁因改建或維修所需要的巨額費用?？偨Y橋梁震害教訓，對提高橋梁的抗震設計有著很好的啟示作用。本文以2008年的“5·12”汶川大地震對廣漢至岳家山鐵路和寶成鐵路橋梁震害為例，通過對震害分析，對山區(qū)鐵路橋梁抗震設計提出一些建議。

1 橋梁常見震害

橋梁結構受到的地震影響主要有兩種形式:一種是場地運動引起的結構振動，另一種是場地相對位移產(chǎn)生的強制變形。前者是以慣性力的形式將地震荷載施加在結構上，而后者則是支點強制變形產(chǎn)生的超靜定內(nèi)力或過大的相對變形影響結構的安全性。大量的橋梁震害分析表明，引起橋涵結構震害的原因主要有四個方面:(1)發(fā)生的地震強度超出抗震設防標準;(2)地震引起地基失效或地基變形;(3)橋梁結構設計、施工有缺陷;(4)橋梁結構本身抗震能力不足。以下列出2008年的“5·12”汶川大地震后廣漢至岳家山鐵路和寶成鐵路橋梁震害情況。

1.1 橋梁上部結構震害

由于地震橫向作用較強，使得部分橋梁橋上線路鋼軌扭曲，見圖1。

有的小橋未設防落梁裝置，在地震作用下發(fā)生落梁，見圖2。

梁片橫向連接較弱或無橫向連接件、橫向防落梁裝置較弱的橋梁，使得地震作用下，梁片間縫隙加大、橋面道碴泄漏，見圖3。

地震作用下，造成大部分梁體縱向移位、梁端頂死、撞擊損壞、梁縫加大，梁體脫離支承墊石等，梁端被拉裂;其中，不等跨橋墩破壞均較嚴重，見圖4～圖6。

圖1 橋上線路鋼軌扭曲

圖4 梁端頂死并被壓壞

圖5 不等跨布置時的破壞情況

圖6 梁體脫離支承墊石

被調(diào)查的上承式鋼筋混凝土空腹拱橋，其拱肋在地震作用下個別部位出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，在兩拱肋之間的橫系梁上出現(xiàn)裂縫，拱上立柱與梁部連接處發(fā)生開裂，見圖7～圖8。

圖7 立柱與上部結構連接處開裂

圖8 拱圈開裂

1.2 橋梁支座震害

由于地震作用下，梁體發(fā)生縱橫向移位，造成支座帽栓彎曲、被拔出、或被剪斷，支座脫離梁體、支承墊石被拉裂，支座上、下板移位，甚至支座傾覆，見圖9～圖12。

圖9 支座移位及傾覆

圖10 支座受拉脫空

圖11 支承墊石被破壞

圖12 梁體橫移、支座帽栓剪斷

2.3 橋梁墩臺結構震害

較高橋梁的橋墩幾乎全被剪斷，有很明顯的水平貫通裂縫，多位于墩的下部1/4～1/6部位，有的墩有2、3道裂縫，裂縫大多在施工縫或其附近部位，見圖13～圖16。

圖13 施工縫處出現(xiàn)貫通的水平裂縫

圖14 圓形墩水平環(huán)向開裂及局部壓潰

個別墩在水平貫通裂縫的下部混凝土有局部壓潰的裂縫，有的為斜向的裂縫，并延伸較長;個別墩有小量的傾斜;其中，矩形墩尤為嚴重。

圖15 矩形墩出現(xiàn)水平貫通裂縫

圖16 矩形墩局部壓潰

幾乎所有橋臺的錐體發(fā)生下沉、松動、開裂，個別垮塌嚴重。橋臺臺后填土下沉、松動、垮塌。

1.4 地震次生災害對橋梁的損害

由于個別橋梁靠山坡較近，使得在地震作用下，山坡上的落石將梁體砸壞，見圖17～圖18。

圖17 梁體腹板被砸壞

圖18 梁體翼板被砸壞

緊靠山體的很多橋梁的墩臺被落石砸壞，個別橋梁墩臺因受大量落石的偏壓而嚴重滑移與傾斜，見圖19～圖20。

圖19 橋墩受落石偏壓

圖20 橋墩被落石砸壞

2 山區(qū)鐵路橋梁抗震設計建議

本次地震，近場區(qū)的廣岳鐵路廣濟至岳家山段(地震烈度Ⅸ～Ⅺ度)，寶成鐵路上寺至后壩(地震烈度Ⅶ～Ⅷ度)、成灌鐵路都江堰境內(nèi)(地震烈度Ⅶ～Ⅷ度)受損嚴重，特別是龍門山山前斷裂帶的廣岳鐵路尤為嚴重。調(diào)查資料還揭示鐵路在地震烈度基本相同的條件下，位移地形起伏較大的中低山區(qū)內(nèi)的鐵路橋梁要比位于平原地區(qū)或丘陵地區(qū)的橋梁破壞的更嚴重。通過對上述橋梁破壞情況分析，本次橋梁震害有以下特點:橋梁的震害具有明顯的方向性;不同的橋梁結構類型、不同的橋墩形狀的受損程度不同;地震次生災害(山體滑坡和崩塌)對靠山較近的橋梁損害較大。通過對上述橋梁震害的調(diào)查分析，使我們在山區(qū)鐵路橋梁抗震設計有了進一步認識。

2.1 橋位與橋型的合理選擇

山區(qū)鐵路橋梁橋位的選擇應結合線路走向并根據(jù)橋址處場地的地形、地質(zhì)條件、構造特點、工程規(guī)模等因素綜合比較。線路選線時除了應繞避區(qū)域不良地質(zhì)外，還應盡可能避開局部惡劣場地環(huán)境。由于場地環(huán)境對震害有著重要的影響，所以在工程抗震設計中，工程場地的選擇起著至關重要的作用。山區(qū)常見的惡劣場地環(huán)境主要包括:陡峭山坡或孤突山體、山區(qū)深切峽谷、沉積相深切河谷、容易發(fā)生滑坡的山體坡面、容易崩塌的高陡巖坡、古滑坡體、可能發(fā)生液化的古河道、地震斷層、巖堆等。因此，選擇橋位時應根據(jù)不同的場地環(huán)境采用相應的措施。

(1)在大山陡峭的坡面或孤突的山體，如圖21，對于地震位移和地震加速度都有明顯的放大作用，而大山陡坡對于地震位移的響應更為劇烈，孤突的山體則對地震加速度的響應更為劇烈，因此，在這樣的環(huán)境中建造橋梁，特別是大跨度橋梁時，應當結合現(xiàn)場實際情況，選取合理的地震輸入?yún)?shù)進行抗震設計，切不可簡單采用地震區(qū)劃所規(guī)定的參數(shù)否則將承擔很高的風險。

圖21 大山陡峭的坡面

(2)山區(qū)深切峽谷是一種狹而深的河谷，兩岸坡面陡峭，如圖22。這類地形在地震響應過程中具有模態(tài)密集的特點，對于1～10Hz頻率范圍內(nèi)的地震加速度都有一定程度的放大作用，而大跨度橋梁本身也屬于模態(tài)密集型結構，因此，兩者之間容易在一定的頻率范圍內(nèi)發(fā)生共振，這就對跨越峽谷之上的橋梁結構的整體及一些容易獨立振動的部位都提出了一定的要求，因此，大跨度跨越峽谷的橋梁特除了應加強整體抗震性能別之外，還應注意那些容易獨立振動部位的抗震設計。

圖22 山區(qū)深切峽谷

(3)當橋梁結構修建在某些高陡邊坡下方、特別是凹形富水坡面下方時，應該進行詳細的地質(zhì)調(diào)查，對山體發(fā)生滑坡或泥石流的危險性進行合理的評估。不要將重要的大跨度橋梁修建在這樣的環(huán)境中。在“5·12”汶川地震的破壞中可以看到，一些橋梁就是因為山體滑坡而遭破壞的。地震作用下可能形成泥石流溝谷時，橋梁的孔徑應按泥石流溝谷確定。

(4)在“5·12”汶川地震中觀察到部分橋梁被落石砸壞或被滾石撞垮的震害現(xiàn)象。為防患于未然，線路及橋梁的修建應該避開容易自然崩塌或地震崩塌的高陡巖坡，如果避開確有困難，必須在施工前首先對坡面進行處理。

(5)當橋梁必須經(jīng)過含地震斷層的環(huán)境中時，應注意以下幾點:①橋址位于斷層帶所在的環(huán)境中時，首先應確定斷層的性質(zhì)，如果屬于發(fā)震斷層，首選抗震方案就是避開;如果是蠕滑斷層也應該盡可能避開。②如果實在不能避開，必須確定其年平均蠕滑量，以便對該斷層長期蠕滑的后果給予定量評價。③不能將墩基礎建在斷層破碎帶之內(nèi)，盡可能將所有橋墩基礎建在斷層的下盤。

(6)巖堆環(huán)境屬于山區(qū)一種比較特殊的場地環(huán)境。巖堆的生成通常是由于巖體內(nèi)比較發(fā)育的豎直節(jié)理在重力、雨水侵蝕、風蝕、溫度變化下的熱脹冷縮效應、歷史地震的震動以及其他地質(zhì)因素和氣候因素的共同作用下，使得節(jié)理逐漸演化為較大的裂隙，最終從坡面墜落滾動至山腳下堆積而成。在巖石塊滾下堆積的過程中，攜帶大量風化嚴重的碎石、泥土和植物，因此，巖堆結構實際上是由巨型石塊與巖土堆積而成，結構松散、穩(wěn)定性極差，不適宜開挖，因此，橋墩的選位必須避開巖堆。

橋型選擇及孔跨布置應合理?？拐鹪O計應以不中斷行車，在保證主要承重構件具有足夠的強度和穩(wěn)定性的同時，橋梁結構應具有易修復性。橋梁應盡量等跨布置，優(yōu)先采用自重輕、剛度和質(zhì)量勻稱、重心低的結構以有利于抗震。當橋梁必須穿越斷層時，應盡量采用小跨度、低墩高的簡支梁橋，在跨越斷層破碎帶時應盡可能使橋向主軸與蠕滑方向垂直，以避免因斷層常年蠕滑造成梁體受拉而發(fā)生支撐移位。不宜跨斷層建造連續(xù)梁(剛構)橋。如果地震斷層是穩(wěn)定斷層，也不宜將墩基礎設置在斷層破碎帶內(nèi)。

應合理選用抗震性能好的結構體系，結構體系的合理與否，直接關系到結構各部位的地震作用大小，理想的橋梁結構應是越簡單和越規(guī)則越好，傳力途徑要短，受力要簡明。

2.2 重視抗震設防措施

即使是破壞性地震，除落石等引發(fā)次生震害外，橋梁上部結構自身因直接的地震效應而毀壞的現(xiàn)象及其少見，但因支承連接件或下部結構破壞失效、地基液化基礎大幅度位移等原因引起的落梁震害卻常有發(fā)生。落梁、梁體碰撞或梁體與橋臺之間的碰撞都是橋梁震害的主要形式，是橋梁抗震設防的重要內(nèi)容。產(chǎn)生落梁與碰撞的原因往往都糾纏在一起，總結起來大致可以歸納為以下幾點。

(1)地震當中，梁體的地震慣性太大，致使梁體相對于墩頂支撐墊石的相對位移過大，超過了墩頂?shù)闹С袑挾?，因此導致落梁或與相鄰梁體發(fā)生碰撞;

(2)同一橋跨的兩個橋墩出現(xiàn)反向彎曲，致使墩頂之間的距離超過梁體的長度，從而導致落梁;

(3)橋墩順橋向剛度不足，致使墩頂位移過大，帶動梁體一起運動，導致發(fā)生落梁，或者發(fā)生碰撞;

(4)相鄰橋墩高度差和順橋向剛度差較大，導致墩頂位移不協(xié)調(diào)，很容易導致落梁;

(5)橋墩斷裂倒塌，致使梁體墜落。

(6)上部梁體之間的間距過小，使得梁體在地震當中容易發(fā)生碰撞。

從以上破壞形式和原因可以看出，橋梁的落梁與碰撞震害在很大程度上是由于對橋梁抗震破壞機理認識不足，采用了不適當?shù)目拐鹪O計方法及措施造成的。

大量的震害教訓表明，無橫向限位、缺縱向防落梁裝置、基礎大位移、頂帽擱置長度不足等是導致落梁的常見問題。以往的鐵路橋梁設計中比較重視橫向防止落梁措施，在墩頂設置橫向限位裝置，但對縱向落梁的防止措施重視不夠，強地震區(qū)普通鐵路梁橋部分梁端未設縱向連接或支擋。

此外，應加強梁部整體性以利抗震，對于分片式混凝土梁應加強橫向連接，對無橫向連接的應增設，同時也可避免2片梁的橫向碰撞，支座設置防震板。

2.3 橋梁支座及減隔震技術

橋梁支座是橋梁結構抗震的薄弱部位，強震時由于支座錨栓、導槽強度不足而引起的剪切、脫落及上跳等現(xiàn)象屢見 不鮮。廣岳鐵路的所有支座螺栓幾乎全部被剪斷，部分支座嚴重損壞，需要更換，但地腳螺栓埋置于混凝土中，更換困難;部分橋墩頂帽支座地腳螺栓處的混凝土崩落掉塊，橋梁橫向或縱向位移過大，梁梁或梁臺相撞引起梁臺混凝土損傷。震害現(xiàn)象表明橋梁的抗震設計尚缺乏系統(tǒng)性。支座抗震設計時應考慮橋墩的柔度對支座產(chǎn)生的縱橫向地震力具有放大作用，同時應研究支座布置方法，以減小地震時對固定支座縱向作用的影響。

通?？拐鹪O防烈度較低的橋梁，應根據(jù)其所在地區(qū)的設防烈度選用相應的抗震型支座;對于抗震設防烈度較高的橋梁，則應根據(jù)其所處位置及橋梁結構的具體情況進行相應的抗震設計。

強震向結構輸入相當多的能量，可能引起結構過度變形甚至倒塌。為減小結構在地震中的破壞程度，結構必須具有通過固有減震機制或通過非彈性變形來耗散這些輸入能量的能力。對于大部分的橋梁結構，尤其是長跨橋梁，具有很低的固有阻尼，能量耗散問題變得更加嚴重。當這些結構僅依靠固有阻尼和非彈性變形承受強震運動時，結構會發(fā)生過大變形。對于主要按重力荷載和使用荷載設計的橋梁，過大的變形會導致嚴重損傷甚至倒塌。

目前解決抗震設防烈度較高的橋梁，通常采用延性設計法與減隔震技術。延性設計方法通常用于有一定柔度的高墩橋梁。對于橋墩較矮的橋梁，由于有剛度大、基頻高、低矮的實體橋墩較多的顯著特征，強烈地震作用下，由于橋墩的剛度大、高度矮、剪跨比小，配筋少，難以出現(xiàn)塑性鉸。一旦發(fā)生超出設計地震烈度的強烈地震，結構不可避免地將產(chǎn)生嚴重的損傷和破壞。因此，采用延性設計方法受到較大的限制，對于這類橋梁則宜采用減隔震技術。支座減隔震的原理:通過支座的柔性延長結構周期，減輕結構地震作用;通過增加結構阻尼，耗散地震能量，減小支座位移。

支座減隔震技術有一定的適用條件，通常適合采用減隔震技術的情況為:橋墩為剛性墩，橋梁的基本振動周期比較短;橋墩高度相差較大時;橋址區(qū)的預期地面運動特性比較明確，主要集中在高頻階段。不宜采用減隔震技術的情況為:地震作用下，場地可能產(chǎn)生失效;下部結剛度小，橋梁的基本周期比較長;位于軟弱場地，延長周期可能引起地基和橋梁共振;支座中可能出現(xiàn)負反力。

3 結束語

通過對2008年的“5·12”汶川大地震對廣岳線和寶成線等山區(qū)鐵路橋梁震害的分析和啟示，對山區(qū)鐵路橋梁提出了橋位與橋型的合理選擇、抗震構造細節(jié)及設防措施、橋梁支座及減隔震技術等方面抗震設計內(nèi)容的建議，希望能引起各位同行對抗震設計的重視，共同提高我們在地震區(qū)的橋梁抗震設計水平。

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