混凝土简支梁桥震害机理分析

高 昕

（福建林业职业技术学院，福建 南平 353000）

近几年，全世界不同范围内强震多发，地震给人们所造成的生命财产问题也是不可小视的损失。由于简支梁桥本身的一些结构特点，其具有上部结构质量较大的特点，导致其很容易在灾害来临后遭到不同程度的破坏。由此看来，如果想要把简支梁桥结构设计当中的抗震设计做好是一件非常不容易的事情。就此结合四川汶川的地震灾害事件，从这些震害工程当中汲取一些工程实践当中的经验与教训，这对于以后的抗震救灾当中的简支梁桥工程的抗震结构设计有一定的研究意义。

1 震害调查

1.1 震害调查

1.1.1 落梁

根据《公路简支梁桥抗震设计规范》，铁路梁端到桥墩的边缘与盖梁之间的距离不得小于（70+0.5 L）cm[1](L为跨长)。也有一些实际工程尝试通过在梁端安装连接梁装置或通过工程结构措施如将简单支座改为连续系统改造来减少此类地震的破坏。从近年来的工程实践来看，采取合理的防坠梁措施可以有效减少此类地震破坏现象的发生。

1.1.2 支座破坏

承载是简支梁桥结构当中一个非常重要的连接结构，应具备足够的平移、旋转等能力。与其它部件相比较，支座更换的频率较多，震后维修也更容易损坏到支座，由于更换次数的频繁性，这往往就会造成人员对支座的抗震设计不够重视。在轴承的设计中，有必要尽可能地保证力和活动能力在地震力的作用下不受破坏，并根据需要尽可能地减少地震力造成的破坏[2]。

1.1.3 桥台、桥墩损坏

在汶川地震中，拢海上游的奇峰大桥20个桥墩周围出现了圆形水平连接裂缝，裂缝宽度为1～2 mm，桥墩距基底高度约为2～25 m。压碎以及剪切破坏在一定程度上都属于脆性的破坏,调查研究发现出现这种损害的桥墩基本都是由于箍筋太薄,箍筋间距太大,造成简支梁桥的纵向钢筋发生屈服现象,且混凝土也易被压碎,剪切破坏。这也提醒设计师在关注设计桥墩，对桥墩进行抗震加固设计时，应根据实际情况，设计一个合理的配筋,在一定的范围内适当的增加箍筋直径[2]，降低箍筋间距，进而可以很好的提升桥墩的延性性能,可有效的防止地震来临桥墩发生脆性破坏。

1.1.4 梁的位移

简支梁桥如果两跨梁向同一方向移动，梁体会发生碰撞而损坏梁体，如果纵向位移过大，梁体会脱离支座，严重的梁会倒塌。对于同跨度的多层梁，由于横向连接结构薄弱，横向位移往往会破坏连接结构，使其无法共同工作，横向位移也往往会导致地震块体的破坏。设计中,除了关注梁体的强度设计，还需要特别注意梁体的纵向以及横向块和连接结构和一些其他的细节设计。例如，可在简支梁桥的块与块之间增加设计，添加木垫块或阻尼橡胶进而可有效的降低地震所造成的破坏现象。

1.1.5 其他震害

除了上述在地震期间损坏的简支梁桥结构类型以外，如果出现桥位差,以及梁基土的液化或者梁基土的断层,就会导致简支梁桥的结构基础产生很大的移位现象,进而造成简支梁桥结构的破坏,甚至更糟糕产生简支梁桥的崩塌。这种地震灾害对于简支梁桥结构的破坏影响无疑是毁灭性的，且根本没有方法进行修复，在选择线路时就需要设计师注意避免这种地质灾害可能的发生。在无法避免的情况下，应优先考虑结构简单的铁路梁桥，采取深基础、增加桩身配筋等工程措施，尽量减少地震破坏。

1.2 典型震害简支梁桥分析

1.2.1 典型简支梁桥的震害破坏

（1）寿江大桥

寿江大桥位于四川盆地亚热带湿润气候区的西部地带，是四川岷江紫坪地区的交通枢纽，简支梁桥全貌见图1。

图1 寿江大桥全貌Fig.1 Full view of Shoujiang Bridge

在汶川地震当中发生了严重的毁坏，以此次寿江大桥断裂的直接原因来看，因地震造成的破坏是极为明显的。

（2）虹口高原大桥

始建于2005年5月，位于都江堰市虹口乡的高原大桥，大桥整体横跨白沙河，是阵前虹口乡的主要交通枢纽，其全貌如下图2。在汶川地震当中受到了严重的破坏，此次地震无疑对简支梁桥的破坏是致命性的，因地震造成的破坏与震区的其他大部分的梁桥情况有所不同，场地效应所表现的破坏极为明显，大桥地基与上部结构因为存在了极为明显的高度差，导致地震期间虹口高原大桥的整个桥面向右岸整体移位了1.8 m。主要震害有：因地震导致了结构失效，在上盘的挤压作用下，使得地基产生了压缩变形，造成两岸桥台之间的距离变短，软体结构发生了极为明显的变形作用；同时因A1桥台形成的裂缝，导致上部结构尾音，使得3#主梁出现落梁，并对3#桥墩施加了猛烈的撞击力造成墩柱的严重破坏，出现歪斜现象。

图2 高原大桥全貌Fig.2 The complete picture of Plateau Bridge

2 简支梁桥震害机理分析

2.1 地震的震害机理分析震后简支梁主要震害及原因分析

损坏的道路简支梁桥和铁路简支梁桥在一定的程度上有所区别，破坏位点也有区别的。

2.1.1 上部结构的震害

（1）落梁：连续梁和铁路梁落梁

由于简支梁桥结构是作为特殊的多点线性结构而建的，所以在桥墩的各个点处都具有不尽相同的土质，在地震发生以后，各个点就会受到震动波的影响，导致输入的地震动有较大的差异，这就会造成梁体位移互不协调，且如果简支梁桥的桥跨部分越长，影响也就越明显。因为简支梁桥的上部结构在地震当中发生了较强的结构位移或者相邻梁体之间发生猛烈的撞击现象，就会致使简支梁桥的支座、挡块等限制简支梁桥的一些装置结构发生功能上的失效，从而导致落梁发生（如图3、图4）。

图3 落梁Fig.3 Falling beam

图4 垮桥Fig.4 Bridge collapse

（2）梁体移位：支座滑动和梁体滑移

在此次地震中有非常多的简支梁简支梁桥体纵、横向移位或平移，虽然没有发生落梁的破坏现象，但是其承载力却严重减少，导致震后根本无法正常通行。图5所示的古溪沟中桥，因此次的地震作用造成了非常严重的横向位移和纵向位移，虽然残留的纵向位移较小，但是两岸桥台的损坏是非常严重的，这种情况说明了主梁与桥台在地震期间发生了猛烈的碰撞现象，从而造成了桥台后倾，台后填土发生垮塌，桥头的台板呈现悬空的形式。寿江大桥也发生了明显的移位现象（如图6），其上部结构当中的第2跨移位现象最为严重，其横向移动12 cm、纵向移动15 cm，因梁体纵向位移对桥台两岸造成了严重的冲击，从而造成桥台发生倾斜、破碎、露筋，承载力严重降低的现象。

图5 垮桥Fig.5 Bridge collapse

图6 寿江大桥支座滑动和梁体滑移Fig.6 Bearing slip and beam slip of Shoujiang Bridge

2.1.2 桥台震害

（1）台身开裂

在强大的震动下，俩案桥台发生相对移动，各台之间距离明显减小，导致两岸桥台身被剪坏，丧失承载力。

（2）墩台破坏：墩柱、节点和桥台的破坏

简支梁桥主梁与桥台之间产生猛烈的撞击现象，造成桥台后面的填土被前墙挤压破坏，使得台后的填土塌陷，最后导致桥头搭板的悬空、坍塌现象（如图7）。

图7 白水溪大简支梁桥与挡块之间的碰撞导致挡块的破坏Fig.7 The collision between the Beam Bridge Bay and the retaining block resulted in the destruction of the retaining block

2.1.3 支座、挡块等构件震害

支座结构的重要性在于联系简支梁桥上部与下部，在地震期间其功能表现的更加明显，支座的存在有利于纵向水平力的传递以及梁体的自由变形[3]，且在地震期间起到了隔震作用。但是在简支梁桥设计当中，其也是一项薄弱的环节，支座的失效能够造成梁体的位移、梁体之间的相互碰撞等问题。[4]以此次汶川地震来看，因支座与挡块的构造不足，在强烈的8级地震的作用下，就造成了梁体发生严重位移或较大变形，从而导致桥身发生倾斜、脱空等破坏现象（如图8）。

图8 白水溪大桥墩柱的破坏Fig.8 Pier column failure of Baishuixi Bridge

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2.2 简支梁桥的震害机理研究分析

（1）在公路方面的震害重

公路简支梁桥桥墩、基础的易碎性以及输入大地震动参数的实际情况，共同决定了公路简支梁桥在地震的作用下会产生较大的危害性。与之相比，桥墩和简支梁桥基础的特性造成其抗震性能的加强，再加上实际情况中输入的小场地地震参数，因此，简支梁桥在地震作用下的危害是相对较小的。

（2）地震损害具有明显的指向性

在地震区域造成的了大量的道路和简支梁桥破坏，位于地震灾区的广元铁路也没有逃脱,断裂带几乎平行于大高速公路和铁路简支梁桥，在高速公路上损失不是很严重,除了部分铁路简支梁桥支座损伤的情况下,对其余的部分不是很严重,因此,汶川大地震的地震灾害具有明显的方向性。

3 震害防治措施

3.1 构造措施

（1）强化箍筋在抗震中的作用

设计师在设计时,更强调设计的主要强化,比如箍筋的设计,以及安排直径间距太大,如在汶川地震中损害的百花桥墩,调查发现码头配置只有8 mm直径,HRB 235钢筋间距20 cm,在汶川地震当中38个桥墩中有24个坍塌。结果表明，箍筋对结构的抗剪性能、纵筋和核心混凝土的约束性能以及结构延性的提高起着重要作用。塑性铰在这里的使用,桥墩和基础或连接过渡段与上层建筑可以有效地减少崩塌,剪切和其他脆性破坏,进而提高结构的延性。

（2）在简支梁桥落梁处加强措施,防止落梁破坏

特别是对铁路简支梁桥,为了防止落梁破坏的发生,除了增加梁的长度支持,结构也可以保证梁连接设备的安装。从地震块体等结构的破坏来看，各部分的结构措施有效的发挥了作用。不过应注意这些装置以及挡震、砌块的强度设计，应明确这些结构措施在小、中、大地震作用下的工作状态，避免设计与施工的不一致性。不但要防止挡土墙过强对下部结构的损坏，而且要防止挡土墙过弱对梁的作用下降，才能真正起到挡土墙的作用[5]。

3.2 在可研阶段选择合理的桥位和桥型

在可行性研究阶段，主要解决简支梁桥的位置、型式问题。由于当前曲线桥使地震反应变得更加复杂化，所以在简支梁桥设计时轴线应尽可能直。并且因为铁路简支梁桥非常容易就会发生落梁的现象，因此在铁路简支梁桥设计的过程当中，桥面需要连续，并尽量减少使用伸缩缝、安装一些防止坠梁的相关装置、桥跨应尽可能的布置成小跨距，桥台、桥墩应与桥的轴线垂直。

3.3 在施工图设计阶段，重视抗震构造设计、构造措施和细节

在施工图设计阶段，主要解决结构计算、设计的问题。这也是设计师必须注意的问题。从汶川地震中受损的简支梁桥，[5]我们得到以下启示：

（1）加大上部结构的地震强化力度，因此我们必须加强梁措施，增加可以使用块的厚度，块和梁体之间设置的缓冲橡胶垫厚度不少于2.5 cm,最好使用不少于25个Φ二级钢筋,箍筋使用Φ12次级强化。根据“小震、中震不坏、大震可坏”的设计原则来确定结构尺寸。

（2）墩身箍筋、桩基等结构建议

使用桥墩桩基钢筋Φ12次级强化;建议对箍筋进行加密，加密范围为盖梁下墩直径的1倍、承台上墩直径的3倍、承台下桩直径的5倍。

（3）重视简支梁桥刚度突变的结构设计

系梁施工时最好与桥墩或桩基一次性浇筑，加强部分简支梁桥系梁的完整性破坏和施工缝。

4 结论

以汶川地震当中的简支梁桥为例,分析简支梁桥的地震破坏现象,根据简支梁桥的结构特点,对简支梁桥抗震概念设计、抗震计算设计和抗震结构设计三个方面进行了分析,提出了铁路梁桥在设计阶段应提倡抗震设计思想的补充点，指出了简支梁桥抗震模拟计算的准确性和减振隔振控制技术是简支梁桥抗震设计的未来趋势，结论如下:

（1）汶川地震对公路桥震害严重，简支梁桥震害轻。针对汶川地震中简支梁桥损伤具有明显的方向性，在结构措施中应注意断层的走向和薄弱部位的加强。山区简支梁桥的设计应考虑到地震后灾害（山体滑坡和崩塌）对河流和小溪沿岸简支梁桥的影响。

（2）加强简支梁桥结构抗震设计。注意桥的轴的方向,与此同时,桥的轴在山里尽可能采取直接避免弯曲,选择曲线桥,其跨度不应太大,可以连续桥面没有简单的支持,码头不适合使用单一列,桥台不适合平面曲线。重视抗震结构设计。对于连续梁的下部结构，中央低墩的设计是十分必要的。加强桥墩、桩基箍筋设计、简支梁桥刚度突变的结构设计应引起足够的重视。

（3）对重要简支梁桥进行抗震安全评价，提高大跨简支梁桥和重要简支梁桥的抗震设防标准。

（4）注重桥墩及其基础的延性设计。

（5）改变传统的“抗震设计”概念，树立“隔震设计”的理念，对重要、特殊的简支梁桥更有意义。