淺談山區(qū)鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)

林 蓉

(中國鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)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(gòu)造活動(dòng)帶呈帶狀分布，形成地震帶。我國境內(nèi)有23個(gè)地震帶，地震活動(dòng)具有頻次高、強(qiáng)度大且分布廣的基本特點(diǎn)。強(qiáng)烈的地震，如唐山、海城、邢臺(tái)等大地震，特別是2008年的“5·12”汶川大地震，會(huì)對橋梁結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的危害及破壞。橋梁作為重要的社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施，具有投資大、公共性強(qiáng)、維護(hù)管理困難的特點(diǎn)。橋梁同時(shí)又是抗震防災(zāi)、危機(jī)管理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，提高橋梁的抗震性能是減輕地震損失、加強(qiáng)區(qū)域安全的基本措施之一。地震中橋梁設(shè)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(fèi)用?？偨Y(jié)橋梁震害教訓(xùn)，對提高橋梁的抗震設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)提出一些建議。

1 橋梁常見震害

橋梁結(jié)構(gòu)受到的地震影響主要有兩種形式:一種是場地運(yùn)動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，另一種是場地相對位移產(chǎn)生的強(qiáng)制變形。前者是以慣性力的形式將地震荷載施加在結(jié)構(gòu)上，而后者則是支點(diǎn)強(qiáng)制變形產(chǎn)生的超靜定內(nèi)力或過大的相對變形影響結(jié)構(gòu)的安全性。大量的橋梁震害分析表明，引起橋涵結(jié)構(gòu)震害的原因主要有四個(gè)方面:(1)發(fā)生的地震強(qiáng)度超出抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn);(2)地震引起地基失效或地基變形;(3)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工有缺陷;(4)橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)震害

由于地震橫向作用較強(qiáng)，使得部分橋梁橋上線路鋼軌扭曲，見圖1。

有的小橋未設(shè)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(yán)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(shí)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(gè)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(jié)構(gòu)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(tái)結(jié)構(gòu)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(gè)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(gè)別墩有小量的傾斜;其中，矩形墩尤為嚴(yán)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(tái)的錐體發(fā)生下沉、松動(dòng)、開裂，個(gè)別垮塌嚴(yán)重。橋臺(tái)臺(tái)后填土下沉、松動(dòng)、垮塌。

1.4 地震次生災(zāi)害對橋梁的損害

由于個(gè)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(tái)被落石砸壞，個(gè)別橋梁墩臺(tái)因受大量落石的偏壓而嚴(yán)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(shè)計(jì)建議

本次地震，近場區(qū)的廣岳鐵路廣濟(jì)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(yán)重，特別是龍門山山前斷裂帶的廣岳鐵路尤為嚴(yán)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(yán)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(diǎn):橋梁的震害具有明顯的方向性;不同的橋梁結(jié)構(gòu)類型、不同的橋墩形狀的受損程度不同;地震次生災(zāi)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(shè)計(jì)有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

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(yīng)結(jié)合線路走向并根據(jù)橋址處場地的地形、地質(zhì)條件、構(gòu)造特點(diǎn)、工程規(guī)模等因素綜合比較。線路選線時(shí)除了應(yīng)繞避區(qū)域不良地質(zhì)外，還應(yīng)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(shè)計(jì)中，工程場地的選擇起著至關(guān)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(shí)應(yīng)根據(jù)不同的場地環(huán)境采用相應(yīng)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(yīng)更為劇烈，孤突的山體則對地震加速度的響應(yīng)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(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選取合理的地震輸入?yún)?shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，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(dān)很高的風(fēng)險(xiǎn)。

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(yīng)過程中具有模態(tài)密集的特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的整體及一些容易獨(dú)立振動(dòng)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(yīng)加強(qiáng)整體抗震性能別之外，還應(yīng)注意那些容易獨(dú)立振動(dòng)部位的抗震設(shè)計(jì)。

圖22 山區(qū)深切峽谷

(3)當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)修建在某些高陡邊坡下方、特別是凹形富水坡面下方時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查，對山體發(fā)生滑坡或泥石流的危險(xiǎn)性進(jìn)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?yàn)樯襟w滑坡而遭破壞的。地震作用下可能形成泥石流溝谷時(shí)，橋梁的孔徑應(yīng)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(yīng)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(jìn)行處理。

(5)當(dāng)橋梁必須經(jīng)過含地震斷層的環(huán)境中時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①橋址位于斷層帶所在的環(huán)境中時(shí)，首先應(yīng)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(yīng)該盡可能避開。②如果實(shí)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(jià)。③不能將墩基礎(chǔ)建在斷層破碎帶之內(nèi)，盡可能將所有橋墩基礎(chǔ)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(fēng)蝕、溫度變化下的熱脹冷縮效應(yīng)、歷史地震的震動(dòng)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(dòng)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(fēng)化嚴(yán)重的碎石、泥土和植物，因此，巖堆結(jié)構(gòu)實(shí)際上是由巨型石塊與巖土堆積而成，結(jié)構(gòu)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(yīng)合理?？拐鹪O(shè)計(jì)應(yīng)以不中斷行車，在保證主要承重構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)具有易修復(fù)性。橋梁應(yīng)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(jié)構(gòu)以有利于抗震。當(dāng)橋梁必須穿越斷層時(shí)，應(yīng)盡量采用小跨度、低墩高的簡支梁橋，在跨越斷層破碎帶時(shí)應(yīng)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(gòu))橋。如果地震斷層是穩(wěn)定斷層，也不宜將墩基礎(chǔ)設(shè)置在斷層破碎帶內(nèi)。

應(yīng)合理選用抗震性能好的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)體系的合理與否，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)各部位的地震作用大小，理想的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)自身因直接的地震效應(yīng)而毀壞的現(xiàn)象及其少見，但因支承連接件或下部結(jié)構(gòu)破壞失效、地基液化基礎(chǔ)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(tái)之間的碰撞都是橋梁震害的主要形式，是橋梁抗震設(shè)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(jié)起來大致可以歸納為以下幾點(diǎn)。

(1)地震當(dāng)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?dǎo)致落梁或與相鄰梁體發(fā)生碰撞;

(2)同一橋跨的兩個(gè)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(dǎo)致落梁;

(3)橋墩順橋向剛度不足，致使墩頂位移過大，帶動(dòng)梁體一起運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)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(dǎo)致墩頂位移不協(xié)調(diào)，很容易導(dǎo)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(dāng)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(jī)理認(rèn)識(shí)不足，采用了不適當(dāng)?shù)目拐鹪O(shè)計(jì)方法及措施造成的。

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

此外，應(yīng)加強(qiáng)梁部整體性以利抗震，對于分片式混凝土梁應(yīng)加強(qiáng)橫向連接，對無橫向連接的應(yīng)增設(shè)，同時(shí)也可避免2片梁的橫向碰撞，支座設(shè)置防震板。

2.3 橋梁支座及減隔震技術(shù)

橋梁支座是橋梁結(jié)構(gòu)抗震的薄弱部位，強(qiáng)震時(shí)由于支座錨栓、導(dǎo)槽強(qiáng)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(yán)重?fù)p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(tái)相撞引起梁臺(tái)混凝土損傷。震害現(xiàn)象表明橋梁的抗震設(shè)計(jì)尚缺乏系統(tǒng)性。支座抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(shí)應(yīng)研究支座布置方法，以減小地震時(shí)對固定支座縱向作用的影響。

通?？拐鹪O(shè)防烈度較低的橋梁，應(yīng)根據(jù)其所在地區(qū)的設(shè)防烈度選用相應(yīng)的抗震型支座;對于抗震設(shè)防烈度較高的橋梁，則應(yīng)根據(jù)其所處位置及橋梁結(jié)構(gòu)的具體情況進(jìn)行相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)。

強(qiáng)震向結(jié)構(gòu)輸入相當(dāng)多的能量，可能引起結(jié)構(gòu)過度變形甚至倒塌。為減小結(jié)構(gòu)在地震中的破壞程度，結(jié)構(gòu)必須具有通過固有減震機(jī)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(jié)構(gòu)，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(yán)重。當(dāng)這些結(jié)構(gòu)僅依靠固有阻尼和非彈性變形承受強(qiáng)震運(yùn)動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生過大變形。對于主要按重力荷載和使用荷載設(shè)計(jì)的橋梁，過大的變形會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p傷甚至倒塌。

目前解決抗震設(shè)防烈度較高的橋梁，通常采用延性設(shè)計(jì)法與減隔震技術(shù)。延性設(shè)計(jì)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(shí)體橋墩較多的顯著特征，強(qiáng)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(shè)計(jì)地震烈度的強(qiáng)烈地震，結(jié)構(gòu)不可避免地將產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷和破壞。因此，采用延性設(shè)計(jì)方法受到較大的限制，對于這類橋梁則宜采用減隔震技術(shù)。支座減隔震的原理:通過支座的柔性延長結(jié)構(gòu)周期，減輕結(jié)構(gòu)地震作用;通過增加結(jié)構(gòu)阻尼，耗散地震能量，減小支座位移。

支座減隔震技術(shù)有一定的適用條件，通常適合采用減隔震技術(shù)的情況為:橋墩為剛性墩，橋梁的基本振動(dòng)周期比較短;橋墩高度相差較大時(shí);橋址區(qū)的預(yù)期地面運(yùn)動(dòng)特性比較明確，主要集中在高頻階段。不宜采用減隔震技術(shù)的情況為:地震作用下，場地可能產(chǎn)生失效;下部結(jié)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(fù)反力。

3 結(jié)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(gòu)造細(xì)節(jié)及設(shè)防措施、橋梁支座及減隔震技術(shù)等方面抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容的建議，希望能引起各位同行對抗震設(shè)計(jì)的重視，共同提高我們在地震區(qū)的橋梁抗震設(shè)計(jì)水平。

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