董清林

摘要 文章分析地震對(duì)公路橋梁產(chǎn)生的各種震害以及震害的基本規(guī)律，針對(duì)橋梁震害容易產(chǎn)生的部位，提出對(duì)橋梁的抗震設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的防震措施，最大限度地減輕地震對(duì)橋梁的危害，使橋梁在地震后能夠保持基本的通行能力，對(duì)抗震救災(zāi)真正起到生命線工程的作用。

關(guān)鍵詞 橋梁震害;震害類型;防震措施

中圖分類號(hào) U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）01-0103-04

0 引言

我國(guó)領(lǐng)土遼闊，地形地質(zhì)復(fù)雜，部分區(qū)域?qū)儆诘卣鸶甙l(fā)地區(qū)，強(qiáng)烈地震發(fā)生時(shí)，公路橋梁將遭受嚴(yán)重的破壞甚至倒塌，對(duì)搶險(xiǎn)救災(zāi)及災(zāi)后重建造成極大的困難。為了減輕地震造成的損失，要求地震區(qū)的橋梁在抗震、防震方面貫徹預(yù)防為主的方針，對(duì)現(xiàn)有的橋梁要做好防震加固工作，新建的橋梁要從勘察設(shè)計(jì)上采取防震措施，并應(yīng)進(jìn)行抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性的驗(yàn)算，以適應(yīng)當(dāng)前公路橋梁抗震設(shè)計(jì)的要求。

1 橋梁震害

地震對(duì)橋梁的破壞常指由于地震波傳播到地基引起橋梁震動(dòng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施造成的損壞。橋梁遭受震害的原因，主要是由于墩臺(tái)的位移和倒塌，下部構(gòu)造發(fā)生變形引起上部構(gòu)造的變形或墜落[1]。下部構(gòu)造完整，上部構(gòu)造滑出、脫落的也有，但比較少見(jiàn)，而且多與橋梁構(gòu)造的缺陷有關(guān)，所以，地基的好壞，對(duì)橋梁在地震時(shí)的安全度影響最大。

1.1 上部結(jié)構(gòu)及支承連接處

地震發(fā)生時(shí)，地面運(yùn)動(dòng)引起橋梁結(jié)構(gòu)的震動(dòng)，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形大幅度的增加，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或倒塌。地震使橋面上下起伏，上部構(gòu)造產(chǎn)生較大橫向、縱向位移，對(duì)橋面系造成破壞。當(dāng)梁板的位移超出墩臺(tái)等支撐面時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)橫向落梁的破壞。落梁是橋梁最嚴(yán)重的震害，它直接導(dǎo)致交通中斷，落梁時(shí)如果撞擊橋墩，會(huì)給下部結(jié)構(gòu)帶來(lái)很大的破壞。

支座、伸縮縫和掛梁懸掛節(jié)點(diǎn)等支承連接部位是橋梁結(jié)構(gòu)體系上抗震性比較薄弱的環(huán)節(jié)，地震作用容易使固定支座移位、活動(dòng)支座脫落以及支座本身構(gòu)造上的破壞，梁與梁之間、梁與擋塊之間的碰撞容易導(dǎo)致伸縮縫和擋塊的破壞[2]。

1.2 下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)

在軟弱地基上，橋梁的震害不僅嚴(yán)重，而且分布范圍廣。以2008年5月四川省汶川地震為例，該次地震在Ⅹ～Ⅺ度設(shè)防烈度區(qū)內(nèi)，橋梁全部遭到極其嚴(yán)重的破壞。地震使土的抗剪力大幅度降低，從而降低了土的承載力，導(dǎo)致墩臺(tái)大幅度下沉。構(gòu)造裂縫使墩臺(tái)產(chǎn)生水平、豎直、傾斜變形。除了地基毀壞的情況，橋梁墩臺(tái)和基礎(chǔ)是由于受到較大的水平地震力，瞬時(shí)反復(fù)振動(dòng)在相對(duì)薄弱的截面產(chǎn)生破壞而引起的。

在一般地基上，也可能產(chǎn)生某些橋梁震害，如墩臺(tái)裂縫，因土壓力增大或水平方向抵抗力降低而引起墩臺(tái)的水平位移和傾斜等。但這些震害只出現(xiàn)更高的烈度區(qū)內(nèi)。如2008年四川汶川地震時(shí)，上述震害也只限于>Ⅺ度設(shè)防烈度區(qū)內(nèi)。另外，橋梁墩柱的彎曲破壞非常常見(jiàn)，究其原因，主要是約束箍筋配置不足、縱向鋼筋的搭接或焊接不牢等引起的墩柱的延性不足。

1.3 砂土液化、地基和岸坡滑移

砂土液化、地基失效和岸坡滑移也將導(dǎo)致橋梁大幅度破壞乃至倒塌，如裂縫、落梁等。在大于Ⅷ度的烈度區(qū)內(nèi)，由于砂土液化、河岸滑坡，普遍出現(xiàn)墩臺(tái)滑移和傾斜、橋長(zhǎng)縮短、樁柱斷裂、橋梁縱向落梁、拱橋拱圈開(kāi)裂或斷裂等破壞。在Ⅷ度烈度區(qū)內(nèi)，也有一部分橋梁遭到嚴(yán)重破壞。除了地基失效等上述原因外，還有上部結(jié)構(gòu)傳下來(lái)的慣性力所引起的樁基剪切、彎曲破壞，更有樁基設(shè)計(jì)不當(dāng)所引起的震害。

1.4 剛性地基上梁式橋的震害

在地震中基礎(chǔ)不出現(xiàn)位移、傾斜主岸坡不出現(xiàn)滑移地基，稱為剛性地基，其主要震害表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.4.1 順橋向的震害

（1）活動(dòng)支座的震害。活動(dòng)支座是梁式橋抗震中的一個(gè)最薄弱的環(huán)節(jié)，一般當(dāng)?shù)卣鹆叶却笥诘卣饎?dòng)峰值加速系數(shù)時(shí)，都有可能造成活動(dòng)支座的失穩(wěn)、傾倒、脫落。

（2）固定支座的震害。固定支座的破壞將引起以下兩個(gè)方面的破壞：一是順橋向的純剪力破壞;二是橫橋向的彎扭損壞。

（3）墩臺(tái)位移震害。梁墩的相對(duì)位移將引起固定支座銷釘剪斷、柱式支座傾斜甚至傾倒、橋臺(tái)胸墻及梁端撞裂、每孔縮短或延長(zhǎng)成不規(guī)律的交替變化等震害。

（4）胸墻及梁端破壞。當(dāng)?shù)卣鹆叶鹊扔诨虼笥诘卣饎?dòng)峰值加速系數(shù)時(shí)，墩身開(kāi)裂，固定支座被剪斷后，梁將撞擊胸墻或梁端出現(xiàn)弧形撞擊。

1.4.2 橫橋向的震害

當(dāng)?shù)卣鸷奢d在橋梁上部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的橫向水平力大于支座的摩阻力或支座的抗剪強(qiáng)度時(shí)，梁與墩臺(tái)出現(xiàn)相對(duì)位移并剪斷支座，使支座產(chǎn)生橫向位移，當(dāng)梁兩端支座形式不同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生扭矩使支座扭轉(zhuǎn)破壞[3]。

1.5 非剛性地基上梁式橋的震害

非剛性地基是指地震中地表以下土層出現(xiàn)液化和岸坡出現(xiàn)滑動(dòng)的地基，或者墩臺(tái)出現(xiàn)位移，沉降的地基。

1.5.1 由于岸坡滑移造成的橋梁震害

在地震作用下，土體向河心滑動(dòng)，出現(xiàn)地裂縫并以此形成多道地裂縫，其縫寬可達(dá)1 m以上，一般發(fā)生在地震烈度以上。墩身傾斜、開(kāi)裂和折斷。在岸坡滑移時(shí)，墩臺(tái)位移向河心傾斜，移動(dòng)土壓力增加，使墩身或樁身在穩(wěn)定層頂面附近彎裂和折斷。

1.5.2 由于地基液化造成的橋梁震害

飽和松散粉細(xì)砂土和黏粉含量小于15%～20%的飽和粘砂土，在地震作用下易發(fā)生液化。橋臺(tái)和臺(tái)后路基下沉;出現(xiàn)在地基液化或岸坡滑移現(xiàn)象后，大部分橋臺(tái)發(fā)生下沉，臺(tái)后路基也都出現(xiàn)大幅度下沉。

2 橋梁震害的基本規(guī)律及原因分析

2.1 高烈度震害比低烈度震害嚴(yán)重

橋梁產(chǎn)生位移的動(dòng)土壓力都是隨烈度增加而增加的，一般來(lái)說(shuō)，在穩(wěn)定地基上地震烈度大于一定的地震動(dòng)峰值加速系數(shù)才使橋梁遭受震害。

2.2 岸坡滑移和地基失效橋梁比穩(wěn)定地基上的橋梁震害嚴(yán)重

橋梁工程場(chǎng)地類別，根據(jù)土層等效剪切波速和場(chǎng)地覆蓋層厚度將場(chǎng)地土分為四類。一般說(shuō)來(lái)，一類土抗震性最好，二、三類土次之，四類土在強(qiáng)震的作用下導(dǎo)致地基失效，故震害較重。

2.3 順橋向震害比橫橋向震害嚴(yán)重

由于順橋向剛度比橫橋向小。順橋向搭接長(zhǎng)度比墩臺(tái)橫橋向富裕寬度小，各梁在順橋向?yàn)榇?lián)結(jié)構(gòu)，而橫橋向?yàn)椴⒙?lián)結(jié)構(gòu)，因此地震荷載和相對(duì)位移在順橋上出現(xiàn)較大的傳遞和不均勻分配。

2.4 原因分析

（1）所發(fā)生的地震強(qiáng)度超過(guò)了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

（2）橋梁場(chǎng)地對(duì)抗震不利，地震引起地基失效或地基變形。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法不當(dāng)。

（4）橋梁結(jié)構(gòu)本身抗震能力不足等。

3 橋梁的防震措施

通過(guò)以上對(duì)地震給橋梁造成的損壞及原因分析，新建橋梁時(shí)要從勘察設(shè)計(jì)階段采取防震措施，并應(yīng)進(jìn)行抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性的驗(yàn)算[4]。

3.1 一般防震措施

（1）地質(zhì)勘探時(shí)查明對(duì)橋梁抗震有利、不利和危險(xiǎn)的地段，按照避重就輕的原則，充分利用有利地段選定橋位，采用對(duì)抗震有利的橋梁形式。

（2）在可能發(fā)生河岸液化滑坡的軟弱地基上建橋時(shí)，可適當(dāng)增加橋長(zhǎng)、合理布置橋孔，避免將墩臺(tái)布設(shè)在可能滑動(dòng)的岸坡上和地形突變處;并適當(dāng)增加基礎(chǔ)的剛度和埋置深度，提高基礎(chǔ)抵抗水平推力的能力。

（3）當(dāng)橋梁基礎(chǔ)位于軟弱黏性土層或在軟弱地基土?xí)r，應(yīng)采用樁基礎(chǔ)，當(dāng)橋梁基礎(chǔ)置于可液化土層上時(shí)，樁底應(yīng)穿過(guò)軟弱土層，并在穩(wěn)定土層中有足夠的嵌入長(zhǎng)度。

（4）盡量減輕橋梁的總重量，盡量采用比較輕型的上部構(gòu)造，避免頭重腳輕，對(duì)振動(dòng)周期較長(zhǎng)的高橋，應(yīng)按動(dòng)力理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（5）加強(qiáng)上部構(gòu)造的縱、橫向聯(lián)結(jié)，加強(qiáng)上部構(gòu)造的整體性。選用抗震性能較好的支座加強(qiáng)上、下部的聯(lián)結(jié)，增大梁的擱置長(zhǎng)度，采取限制上部構(gòu)造縱、橫向位移或上拋的措施，防止落梁。

如圖1，簡(jiǎn)支梁梁端至墩、臺(tái)帽或蓋梁邊緣應(yīng)滿足一定的距離，其最小值a≥50+0.1L+0.8H+0.5Lk（cm），且不應(yīng)小于60 cm。

式中：L—一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度（m）;

H—支撐一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)橋墩的平均高度（m），橋臺(tái)的高度取值為0;

Lk—一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)的最大單孔跨徑（m）。

（6）加強(qiáng)橋臺(tái)胸墻的強(qiáng)度，并在胸墻與梁端之間填充緩沖材料，以緩和梁體對(duì)橋臺(tái)胸墻的沖撞。

（7）多孔長(zhǎng)橋宜分節(jié)建造，各橋墩高度宜相近，在橋墩柱中布設(shè)橫向連接鋼筋或化長(zhǎng)橋?yàn)槎虡?，使各分?jié)能互不依存地變形。

（8）用磚、石和水泥混凝土等脆性材料修建的建筑物，抗拉、抗沖擊能力弱，接縫處是弱點(diǎn)，易發(fā)生裂紋、位移、坍塌等病害，應(yīng)盡量少用，并盡可能選用抗震性能好的鋼材或鋼筋混凝土。

3.2 能力保護(hù)措施

所謂能力保護(hù)就是通過(guò)設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件形成強(qiáng)度等級(jí)差異，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生脆性的破壞模式[5]。按能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾方面：

（1）橋梁墩柱作為延性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以發(fā)生彈塑性變形，耗散地震能量，因此，塑性鉸的位置一般選擇在墩柱上。

（2）墩柱的設(shè)計(jì)剪力值按能力設(shè)計(jì)方法計(jì)算，應(yīng)采用墩柱的極限彎矩（考慮超強(qiáng)系數(shù)）所對(duì)應(yīng)的剪力。在計(jì)算設(shè)計(jì)剪力值時(shí)應(yīng)考慮所有潛在塑性鉸位置（如圖2），以確定最大的設(shè)計(jì)剪力。

（3）蓋梁、結(jié)點(diǎn)及基礎(chǔ)按能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)彎矩、設(shè)計(jì)剪力和設(shè)計(jì)軸力應(yīng)為與墩柱的極限彎矩（考慮超強(qiáng)系數(shù)）所對(duì)應(yīng)的彎矩、剪力和軸力;在計(jì)算蓋梁、節(jié)點(diǎn)和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)彎矩、設(shè)計(jì)剪力和設(shè)計(jì)軸力時(shí)，應(yīng)考慮所有潛在塑性鉸位置，以確定最大的設(shè)計(jì)彎矩、剪力和軸力。

3.3 抗震構(gòu)造措施

（1）對(duì)于簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、系桿拱等梁式體系，必須設(shè)置阻止梁墩橫橋向相對(duì)應(yīng)位移的構(gòu)造，阻止梁的橫向位移。

（2）對(duì)于懸臂梁和T型剛構(gòu)除采取與簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、系桿拱等梁式體系相同措施外，還應(yīng)采取阻止上部結(jié)構(gòu)相互之間出現(xiàn)橫橋向相對(duì)位移的構(gòu)造措施。

（3）對(duì)于活動(dòng)支座，均應(yīng)采取限制其位移、防止其歪斜的措施。

（4）對(duì)于簡(jiǎn)支梁應(yīng)采取措施防止地震中落梁，可采取螺栓連接、鋼夾板連接，以及將基礎(chǔ)置于可液化層一定深度等措施。

（5）不論是梁式橋還是拱橋盡量避免在不穩(wěn)定的河岸修建，并應(yīng)合理布置橋孔，避免將墩臺(tái)布設(shè)于在地震時(shí)可能滑動(dòng)的岸坡突變處。大跨徑拱橋的主拱圈宜采用抗扭剛度較大、整體性較好的斷面形式，如箱形拱、板拱等。當(dāng)主拱采用組合斷面時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)組合截面的連接強(qiáng)度。

3.4 橋梁減隔震措施

對(duì)于橋梁的隔震設(shè)計(jì)，最重要的因素就是設(shè)計(jì)合理、可靠的減隔震裝置并使其在結(jié)構(gòu)抗震中充分發(fā)揮作用，即橋梁結(jié)構(gòu)的大部分耗能、塑性變形集中于這些裝置，允許這些裝置在大地震作用下發(fā)生大塑性變形和存在一定的殘余位移，而結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件的響應(yīng)基本為彈性或有限塑性。

在場(chǎng)地條件比較穩(wěn)定的情況下，適合使用減隔震裝置。對(duì)于基礎(chǔ)土層不穩(wěn)定、易于發(fā)生液化的場(chǎng)地，下部

結(jié)構(gòu)剛度小、橋梁結(jié)構(gòu)本身的基本振動(dòng)比較長(zhǎng)，位于場(chǎng)地特征周期比較長(zhǎng)、延長(zhǎng)周期可能引起地基與橋梁結(jié)構(gòu)共振以及支座中出現(xiàn)較大負(fù)反力的情況下，一般不采用減隔震裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

公路橋梁是我國(guó)的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)人們的基本的安全出行有著重要的作用，為減輕地震對(duì)橋梁的危害，設(shè)計(jì)時(shí)采取合理的結(jié)構(gòu)形式使其具有較強(qiáng)的抗震能力可以大大減輕震害的產(chǎn)生。在橋梁抗震設(shè)計(jì)要重視以下幾點(diǎn)：

（1）要重視橋梁結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，選擇理想的抗震結(jié)構(gòu)體系。

（2）要重視延性抗震，并且必須避免出現(xiàn)脆性破壞。

（3）要重視結(jié)構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)構(gòu)造缺陷。

（4）要重視橋梁支承連接部位的抗震設(shè)計(jì)，同時(shí)采用有效的減隔震裝置。

參考文獻(xiàn)

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