淺議地震對橋梁的危害及防震措施

董清林

摘要 文章分析地震對公路橋梁產(chǎn)生的各種震害以及震害的基本規(guī)律，針對橋梁震害容易產(chǎn)生的部位，提出對橋梁的抗震設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)及對應(yīng)的防震措施，最大限度地減輕地震對橋梁的危害，使橋梁在地震后能夠保持基本的通行能力，對抗震救災(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 U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0103-04

0 引言

我國領(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

地震對橋梁的破壞常指由于地震波傳播到地基引起橋梁震動，對橋梁結(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，而且多與橋梁構(gòu)造的缺陷有關(guān)，所以，地基的好壞，對橋梁在地震時(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)動引起橋梁結(jié)構(gòu)的震動，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，對橋面系造成破壞。當(dāng)梁板的位移超出墩臺等支撐面時(shí)，就會出現(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，會給下部結(jié)構(gòu)帶來很大的破壞。

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)致墩臺大幅度下沉。構(gòu)造裂縫使墩臺產(chǎn)生水平、豎直、傾斜變形。除了地基毀壞的情況，橋梁墩臺和基礎(chǔ)是由于受到較大的水平地震力，瞬時(shí)反復(fù)振動在相對薄弱的截面產(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，如墩臺裂縫，因土壓力增大或水平方向抵抗力降低而引起墩臺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，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)墩臺滑移和傾斜、橋長縮短、樁柱斷裂、橋梁縱向落梁、拱橋拱圈開裂或斷裂等破壞。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）活動支座的震害?；顒又ё橇菏綐蚩拐鹬械囊粋€(gè)最薄弱的環(huán)節(jié)，一般當(dāng)?shù)卣鹆叶却笥诘卣饎臃逯导铀傧禂?shù)時(shí)，都有可能造成活動支座的失穩(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）墩臺位移震害。梁墩的相對位移將引起固定支座銷釘剪斷、柱式支座傾斜甚至傾倒、橋臺胸墻及梁端撞裂、每孔縮短或延長成不規(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臃逯导铀傧禂?shù)時(shí)，墩身開裂，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)，梁與墩臺出現(xiàn)相對位移并剪斷支座，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)滑動的地基，或者墩臺出現(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，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、開裂和折斷。在岸坡滑移時(shí)，墩臺位移向河心傾斜，移動土壓力增加，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。橋臺和臺后路基下沉;出現(xiàn)在地基液化或岸坡滑移現(xiàn)象后，大部分橋臺發(fā)生下沉，臺后路基也都出現(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)生位移的動土壓力都是隨烈度增加而增加的，一般來說，在穩(wěn)定地基上地震烈度大于一定的地震動峰值加速系數(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

橋梁工程場地類別，根據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度將場地土分為四類。一般說來，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。順橋向搭接長度比墩臺橫橋向富裕寬度小，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)度超過了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

（2）橋梁場地對抗震不利，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

通過以上對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、合理布置橋孔，避免將墩臺布設(shè)在可能滑動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)穿過軟弱土層，并在穩(wěn)定土層中有足夠的嵌入長度。

（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，對振動周期較長的高橋，應(yīng)按動力理論進(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，簡支梁梁端至墩、臺帽或蓋梁邊緣應(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)總長度（m）;

H—支撐一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)橋墩的平均高度（m），橋臺的高度取值為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，以緩和梁體對橋臺胸墻的沖撞。

（7）多孔長橋宜分節(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）對于簡支梁、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應(yīng)位移的構(gòu)造，阻止梁的橫向位移。

（2）對于懸臂梁和T型剛構(gòu)除采取與簡支梁、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)橫橋向相對位移的構(gòu)造措施。

（3）對于活動支座，均應(yīng)采取限制其位移、防止其歪斜的措施。

（4）對于簡支梁應(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，避免將墩臺布設(shè)于在地震時(shí)可能滑動的岸坡突變處。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。

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

結(jié)構(gòu)剛度小、橋梁結(jié)構(gòu)本身的基本振動比較長，位于場地特征周期比較長、延長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

公路橋梁是我國的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對人們的基本的安全出行有著重要的作用，為減輕地震對橋梁的危害，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)

[1]公路工程抗震規(guī)范：JTG B02—2013[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2]公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG/T 2231-01—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[3]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010（2016年版）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[4]劉健新，趙國輝，李加武.汶川地震及中國公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的變遷[J].交通科學(xué)與工程，2009（1）：21-25.

[5]周科，冷艷玲.汶川地震橋梁損毀分析及公路橋梁抗震設(shè)計(jì)初探[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2010（6）：139-142.