浅谈山区铁路桥梁抗震设计

2013-07-26林蓉

四川建筑 2013年2期

林蓉

(中国铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

我国位于世界上环太平洋和亚欧两大地震带之间，是全球大陆地区中最活跃的地震区之一。地震在空间上往往沿着构造活动带呈带状分布，形成地震带。我国境内有23个地震带，地震活动具有频次高、强度大且分布广的基本特点。强烈的地震，如唐山、海城、邢台等大地震，特别是2008年的“5·12”汶川大地震，会对桥梁结构造成了严重的危害及破坏。桥梁作为重要的社会基础设施，具有投资大、公共性强、维护管理困难的特点。桥梁同时又是抗震防灾、危机管理系统的一个重要组成部分，提高桥梁的抗震性能是减轻地震损失、加强区域安全的基本措施之一。地震中桥梁设施的损坏、倒塌所带来的影响常常超过了桥梁因改建或维修所需要的巨额费用。总结桥梁震害教训，对提高桥梁的抗震设计有着很好的启示作用。本文以2008年的“5·12”汶川大地震对广汉至岳家山铁路和宝成铁路桥梁震害为例，通过对震害分析，对山区铁路桥梁抗震设计提出一些建议。

1 桥梁常见震害

桥梁结构受到的地震影响主要有两种形式:一种是场地运动引起的结构振动，另一种是场地相对位移产生的强制变形。前者是以惯性力的形式将地震荷载施加在结构上，而后者则是支点强制变形产生的超静定内力或过大的相对变形影响结构的安全性。大量的桥梁震害分析表明，引起桥涵结构震害的原因主要有四个方面:(1)发生的地震强度超出抗震设防标准;(2)地震引起地基失效或地基变形;(3)桥梁结构设计、施工有缺陷;(4)桥梁结构本身抗震能力不足。以下列出2008年的“5·12”汶川大地震后广汉至岳家山铁路和宝成铁路桥梁震害情况。

1.1 桥梁上部结构震害

由于地震横向作用较强，使得部分桥梁桥上线路钢轨扭曲，见图1。

有的小桥未设防落梁装置，在地震作用下发生落梁，见图2。

梁片横向连接较弱或无横向连接件、横向防落梁装置较弱的桥梁，使得地震作用下，梁片间缝隙加大、桥面道碴泄漏，见图3。

地震作用下，造成大部分梁体纵向移位、梁端顶死、撞击损坏、梁缝加大，梁体脱离支承垫石等，梁端被拉裂;其中，不等跨桥墩破坏均较严重，见图4～图6。

图1 桥上线路钢轨扭曲

图4 梁端顶死并被压坏

图5 不等跨布置时的破坏情况

图6 梁体脱离支承垫石

被调查的上承式钢筋混凝土空腹拱桥，其拱肋在地震作用下个别部位出现开裂现象，在两拱肋之间的横系梁上出现裂缝，拱上立柱与梁部连接处发生开裂，见图7～图8。

图7 立柱与上部结构连接处开裂

图8 拱圈开裂

1.2 桥梁支座震害

由于地震作用下，梁体发生纵横向移位，造成支座帽栓弯曲、被拔出、或被剪断，支座脱离梁体、支承垫石被拉裂，支座上、下板移位，甚至支座倾覆，见图9～图12。

图9 支座移位及倾覆

图10 支座受拉脱空

图11 支承垫石被破坏

图12 梁体横移、支座帽栓剪断

2.3 桥梁墩台结构震害

较高桥梁的桥墩几乎全被剪断，有很明显的水平贯通裂缝，多位于墩的下部1/4～1/6部位，有的墩有2、3道裂缝，裂缝大多在施工缝或其附近部位，见图13～图16。

图13 施工缝处出现贯通的水平裂缝

图14 圆形墩水平环向开裂及局部压溃

个别墩在水平贯通裂缝的下部混凝土有局部压溃的裂缝，有的为斜向的裂缝，并延伸较长;个别墩有小量的倾斜;其中，矩形墩尤为严重。

图15 矩形墩出现水平贯通裂缝

图16 矩形墩局部压溃

几乎所有桥台的锥体发生下沉、松动、开裂，个别垮塌严重。桥台台后填土下沉、松动、垮塌。

1.4 地震次生灾害对桥梁的损害

由于个别桥梁靠山坡较近，使得在地震作用下，山坡上的落石将梁体砸坏，见图17～图18。

图17 梁体腹板被砸坏

图18 梁体翼板被砸坏

紧靠山体的很多桥梁的墩台被落石砸坏，个别桥梁墩台因受大量落石的偏压而严重滑移与倾斜，见图19～图20。

图19 桥墩受落石偏压

图20 桥墩被落石砸坏

2 山区铁路桥梁抗震设计建议

本次地震，近场区的广岳铁路广济至岳家山段(地震烈度Ⅸ～Ⅺ度)，宝成铁路上寺至后坝(地震烈度Ⅶ～Ⅷ度)、成灌铁路都江堰境内(地震烈度Ⅶ～Ⅷ度)受损严重，特别是龙门山山前断裂带的广岳铁路尤为严重。调查资料还揭示铁路在地震烈度基本相同的条件下，位移地形起伏较大的中低山区内的铁路桥梁要比位于平原地区或丘陵地区的桥梁破坏的更严重。通过对上述桥梁破坏情况分析，本次桥梁震害有以下特点:桥梁的震害具有明显的方向性;不同的桥梁结构类型、不同的桥墩形状的受损程度不同;地震次生灾害(山体滑坡和崩塌)对靠山较近的桥梁损害较大。通过对上述桥梁震害的调查分析，使我们在山区铁路桥梁抗震设计有了进一步认识。

2.1 桥位与桥型的合理选择

山区铁路桥梁桥位的选择应结合线路走向并根据桥址处场地的地形、地质条件、构造特点、工程规模等因素综合比较。线路选线时除了应绕避区域不良地质外，还应尽可能避开局部恶劣场地环境。由于场地环境对震害有着重要的影响，所以在工程抗震设计中，工程场地的选择起着至关重要的作用。山区常见的恶劣场地环境主要包括:陡峭山坡或孤突山体、山区深切峡谷、沉积相深切河谷、容易发生滑坡的山体坡面、容易崩塌的高陡岩坡、古滑坡体、可能发生液化的古河道、地震断层、岩堆等。因此，选择桥位时应根据不同的场地环境采用相应的措施。

(1)在大山陡峭的坡面或孤突的山体，如图21，对于地震位移和地震加速度都有明显的放大作用，而大山陡坡对于地震位移的响应更为剧烈，孤突的山体则对地震加速度的响应更为剧烈，因此，在这样的环境中建造桥梁，特别是大跨度桥梁时，应当结合现场实际情况，选取合理的地震输入参数进行抗震设计，切不可简单采用地震区划所规定的参数否则将承担很高的风险。

图21 大山陡峭的坡面

(2)山区深切峡谷是一种狭而深的河谷，两岸坡面陡峭，如图22。这类地形在地震响应过程中具有模态密集的特点，对于1～10Hz频率范围内的地震加速度都有一定程度的放大作用，而大跨度桥梁本身也属于模态密集型结构，因此，两者之间容易在一定的频率范围内发生共振，这就对跨越峡谷之上的桥梁结构的整体及一些容易独立振动的部位都提出了一定的要求，因此，大跨度跨越峡谷的桥梁特除了应加强整体抗震性能别之外，还应注意那些容易独立振动部位的抗震设计。

图22 山区深切峡谷

(3)当桥梁结构修建在某些高陡边坡下方、特别是凹形富水坡面下方时，应该进行详细的地质调查，对山体发生滑坡或泥石流的危险性进行合理的评估。不要将重要的大跨度桥梁修建在这样的环境中。在“5·12”汶川地震的破坏中可以看到，一些桥梁就是因为山体滑坡而遭破坏的。地震作用下可能形成泥石流沟谷时，桥梁的孔径应按泥石流沟谷确定。

(4)在“5·12”汶川地震中观察到部分桥梁被落石砸坏或被滚石撞垮的震害现象。为防患于未然，线路及桥梁的修建应该避开容易自然崩塌或地震崩塌的高陡岩坡，如果避开确有困难，必须在施工前首先对坡面进行处理。

(5)当桥梁必须经过含地震断层的环境中时，应注意以下几点:①桥址位于断层带所在的环境中时，首先应确定断层的性质，如果属于发震断层，首选抗震方案就是避开;如果是蠕滑断层也应该尽可能避开。②如果实在不能避开，必须确定其年平均蠕滑量，以便对该断层长期蠕滑的后果给予定量评价。③不能将墩基础建在断层破碎带之内，尽可能将所有桥墩基础建在断层的下盘。

(6)岩堆环境属于山区一种比较特殊的场地环境。岩堆的生成通常是由于岩体内比较发育的竖直节理在重力、雨水侵蚀、风蚀、温度变化下的热胀冷缩效应、历史地震的震动以及其他地质因素和气候因素的共同作用下，使得节理逐渐演化为较大的裂隙，最终从坡面坠落滚动至山脚下堆积而成。在岩石块滚下堆积的过程中，携带大量风化严重的碎石、泥土和植物，因此，岩堆结构实际上是由巨型石块与岩土堆积而成，结构松散、稳定性极差，不适宜开挖，因此，桥墩的选位必须避开岩堆。

桥型选择及孔跨布置应合理。抗震设计应以不中断行车，在保证主要承重构件具有足够的强度和稳定性的同时，桥梁结构应具有易修复性。桥梁应尽量等跨布置，优先采用自重轻、刚度和质量匀称、重心低的结构以有利于抗震。当桥梁必须穿越断层时，应尽量采用小跨度、低墩高的简支梁桥，在跨越断层破碎带时应尽可能使桥向主轴与蠕滑方向垂直，以避免因断层常年蠕滑造成梁体受拉而发生支撑移位。不宜跨断层建造连续梁(刚构)桥。如果地震断层是稳定断层，也不宜将墩基础设置在断层破碎带内。

应合理选用抗震性能好的结构体系，结构体系的合理与否，直接关系到结构各部位的地震作用大小，理想的桥梁结构应是越简单和越规则越好，传力途径要短，受力要简明。

2.2 重视抗震设防措施

即使是破坏性地震，除落石等引发次生震害外，桥梁上部结构自身因直接的地震效应而毁坏的现象及其少见，但因支承连接件或下部结构破坏失效、地基液化基础大幅度位移等原因引起的落梁震害却常有发生。落梁、梁体碰撞或梁体与桥台之间的碰撞都是桥梁震害的主要形式，是桥梁抗震设防的重要内容。产生落梁与碰撞的原因往往都纠缠在一起，总结起来大致可以归纳为以下几点。

(1)地震当中，梁体的地震惯性太大，致使梁体相对于墩顶支撑垫石的相对位移过大，超过了墩顶的支承宽度，因此导致落梁或与相邻梁体发生碰撞;

(2)同一桥跨的两个桥墩出现反向弯曲，致使墩顶之间的距离超过梁体的长度，从而导致落梁;

(3)桥墩顺桥向刚度不足，致使墩顶位移过大，带动梁体一起运动，导致发生落梁，或者发生碰撞;

(4)相邻桥墩高度差和顺桥向刚度差较大，导致墩顶位移不协调，很容易导致落梁;

(5)桥墩断裂倒塌，致使梁体坠落。

(6)上部梁体之间的间距过小，使得梁体在地震当中容易发生碰撞。

从以上破坏形式和原因可以看出，桥梁的落梁与碰撞震害在很大程度上是由于对桥梁抗震破坏机理认识不足，采用了不适当的抗震设计方法及措施造成的。

大量的震害教训表明，无横向限位、缺纵向防落梁装置、基础大位移、顶帽搁置长度不足等是导致落梁的常见问题。以往的铁路桥梁设计中比较重视横向防止落梁措施，在墩顶设置横向限位装置，但对纵向落梁的防止措施重视不够，强地震区普通铁路梁桥部分梁端未设纵向连接或支挡。

此外，应加强梁部整体性以利抗震，对于分片式混凝土梁应加强横向连接，对无横向连接的应增设，同时也可避免2片梁的横向碰撞，支座设置防震板。

2.3 桥梁支座及减隔震技术

桥梁支座是桥梁结构抗震的薄弱部位，强震时由于支座锚栓、导槽强度不足而引起的剪切、脱落及上跳等现象屡见不鲜。广岳铁路的所有支座螺栓几乎全部被剪断，部分支座严重损坏，需要更换，但地脚螺栓埋置于混凝土中，更换困难;部分桥墩顶帽支座地脚螺栓处的混凝土崩落掉块，桥梁横向或纵向位移过大，梁梁或梁台相撞引起梁台混凝土损伤。震害现象表明桥梁的抗震设计尚缺乏系统性。支座抗震设计时应考虑桥墩的柔度对支座产生的纵横向地震力具有放大作用，同时应研究支座布置方法，以减小地震时对固定支座纵向作用的影响。

通常抗震设防烈度较低的桥梁，应根据其所在地区的设防烈度选用相应的抗震型支座;对于抗震设防烈度较高的桥梁，则应根据其所处位置及桥梁结构的具体情况进行相应的抗震设计。

强震向结构输入相当多的能量，可能引起结构过度变形甚至倒塌。为减小结构在地震中的破坏程度，结构必须具有通过固有减震机制或通过非弹性变形来耗散这些输入能量的能力。对于大部分的桥梁结构，尤其是长跨桥梁，具有很低的固有阻尼，能量耗散问题变得更加严重。当这些结构仅依靠固有阻尼和非弹性变形承受强震运动时，结构会发生过大变形。对于主要按重力荷载和使用荷载设计的桥梁，过大的变形会导致严重损伤甚至倒塌。

目前解决抗震设防烈度较高的桥梁，通常采用延性设计法与减隔震技术。延性设计方法通常用于有一定柔度的高墩桥梁。对于桥墩较矮的桥梁，由于有刚度大、基频高、低矮的实体桥墩较多的显著特征，强烈地震作用下，由于桥墩的刚度大、高度矮、剪跨比小，配筋少，难以出现塑性铰。一旦发生超出设计地震烈度的强烈地震，结构不可避免地将产生严重的损伤和破坏。因此，采用延性设计方法受到较大的限制，对于这类桥梁则宜采用减隔震技术。支座减隔震的原理:通过支座的柔性延长结构周期，减轻结构地震作用;通过增加结构阻尼，耗散地震能量，减小支座位移。

支座减隔震技术有一定的适用条件，通常适合采用减隔震技术的情况为:桥墩为刚性墩，桥梁的基本振动周期比较短;桥墩高度相差较大时;桥址区的预期地面运动特性比较明确，主要集中在高频阶段。不宜采用减隔震技术的情况为:地震作用下，场地可能产生失效;下部结刚度小，桥梁的基本周期比较长;位于软弱场地，延长周期可能引起地基和桥梁共振;支座中可能出现负反力。