浅议地震对桥梁的危害及防震措施

董清林

摘要 文章分析地震对公路桥梁产生的各种震害以及震害的基本规律，针对桥梁震害容易产生的部位，提出对桥梁的抗震设计注意要点及对应的防震措施，最大限度地减轻地震对桥梁的危害，使桥梁在地震后能够保持基本的通行能力，对抗震救灾真正起到生命线工程的作用。

关键词 桥梁震害;震害类型;防震措施

中图分类号 U442.55 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）01-0103-04

0 引言

我国领土辽阔，地形地质复杂，部分区域属于地震高发地区，强烈地震发生时，公路桥梁将遭受严重的破坏甚至倒塌，对抢险救灾及灾后重建造成极大的困难。为了减轻地震造成的损失，要求地震区的桥梁在抗震、防震方面贯彻预防为主的方针，对现有的桥梁要做好防震加固工作，新建的桥梁要从勘察设计上采取防震措施，并应进行抗震强度和稳定性的验算，以适应当前公路桥梁抗震设计的要求。

1 桥梁震害

地震对桥梁的破坏常指由于地震波传播到地基引起桥梁震动，对桥梁结构及附属设施造成的损坏。桥梁遭受震害的原因，主要是由于墩台的位移和倒塌，下部构造发生变形引起上部构造的变形或坠落[1]。下部构造完整，上部构造滑出、脱落的也有，但比较少见，而且多与桥梁构造的缺陷有关，所以，地基的好坏，对桥梁在地震时的安全度影响最大。

1.1 上部结构及支承连接处

地震发生时，地面运动引起桥梁结构的震动，使结构的内力和变形大幅度的增加，从而导致结构破坏或倒塌。地震使桥面上下起伏，上部构造产生较大横向、纵向位移，对桥面系造成破坏。当梁板的位移超出墩台等支撑面时，就会出现横向落梁的破坏。落梁是桥梁最严重的震害，它直接导致交通中断，落梁时如果撞击桥墩，会给下部结构带来很大的破坏。

支座、伸缩缝和挂梁悬挂节点等支承连接部位是桥梁结构体系上抗震性比较薄弱的环节，地震作用容易使固定支座移位、活动支座脱落以及支座本身构造上的破坏，梁与梁之间、梁与挡块之间的碰撞容易导致伸缩缝和挡块的破坏[2]。

1.2 下部结构及基础

在软弱地基上，桥梁的震害不仅严重，而且分布范围广。以2008年5月四川省汶川地震为例，该次地震在Ⅹ～Ⅺ度设防烈度区内，桥梁全部遭到极其严重的破坏。地震使土的抗剪力大幅度降低，从而降低了土的承载力，导致墩台大幅度下沉。构造裂缝使墩台产生水平、竖直、倾斜变形。除了地基毁坏的情况，桥梁墩台和基础是由于受到较大的水平地震力，瞬时反复振动在相对薄弱的截面产生破坏而引起的。

在一般地基上，也可能产生某些桥梁震害，如墩台裂缝，因土压力增大或水平方向抵抗力降低而引起墩台的水平位移和倾斜等。但这些震害只出现更高的烈度区内。如2008年四川汶川地震时，上述震害也只限于>Ⅺ度设防烈度区内。另外，橋梁墩柱的弯曲破坏非常常见，究其原因，主要是约束箍筋配置不足、纵向钢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将导致桥梁大幅度破坏乃至倒塌，如裂缝、落梁等。在大于Ⅷ度的烈度区内，由于砂土液化、河岸滑坡，普遍出现墩台滑移和倾斜、桥长缩短、桩柱断裂、桥梁纵向落梁、拱桥拱圈开裂或断裂等破坏。在Ⅷ度烈度区内，也有一部分桥梁遭到严重破坏。除了地基失效等上述原因外，还有上部结构传下来的惯性力所引起的桩基剪切、弯曲破坏，更有桩基设计不当所引起的震害。

1.4 刚性地基上梁式桥的震害

在地震中基础不出现位移、倾斜主岸坡不出现滑移地基，称为刚性地基，其主要震害表现在以下几个方面：

1.4.1 顺桥向的震害

（1）活动支座的震害。活动支座是梁式桥抗震中的一个最薄弱的环节，一般当地震烈度大于地震动峰值加速系数时，都有可能造成活动支座的失稳、倾倒、脱落。

（2）固定支座的震害。固定支座的破坏将引起以下两个方面的破坏：一是顺桥向的纯剪力破坏;二是横桥向的弯扭损坏。

（3）墩台位移震害。梁墩的相对位移将引起固定支座销钉剪断、柱式支座倾斜甚至倾倒、桥台胸墙及梁端撞裂、每孔缩短或延长成不规律的交替变化等震害。

（4）胸墙及梁端破坏。当地震烈度等于或大于地震动峰值加速系数时，墩身开裂，固定支座被剪断后，梁将撞击胸墙或梁端出现弧形撞击。

1.4.2 横桥向的震害

当地震荷载在桥梁上部结构中产生的横向水平力大于支座的摩阻力或支座的抗剪强度时，梁与墩台出现相对位移并剪断支座，使支座产生横向位移，当梁两端支座形式不同时还会产生扭矩使支座扭转破坏[3]。

1.5 非刚性地基上梁式桥的震害

非刚性地基是指地震中地表以下土层出现液化和岸坡出现滑动的地基，或者墩台出现位移，沉降的地基。

1.5.1 由于岸坡滑移造成的桥梁震害

在地震作用下，土体向河心滑动，出现地裂缝并以此形成多道地裂缝，其缝宽可达1 m以上，一般发生在地震烈度以上。墩身倾斜、开裂和折断。在岸坡滑移时，墩台位移向河心倾斜，移动土压力增加，使墩身或桩身在稳定层顶面附近弯裂和折断。

1.5.2 由于地基液化造成的桥梁震害

饱和松散粉细砂土和黏粉含量小于15%～20%的饱和粘砂土，在地震作用下易发生液化。桥台和台后路基下沉;出现在地基液化或岸坡滑移现象后，大部分桥台发生下沉，台后路基也都出现大幅度下沉。

2 桥梁震害的基本规律及原因分析

2.1 高烈度震害比低烈度震害严重

桥梁产生位移的动土压力都是随烈度增加而增加的，一般来说，在稳定地基上地震烈度大于一定的地震动峰值加速系数才使桥梁遭受震害。

2.2 岸坡滑移和地基失效桥梁比稳定地基上的桥梁震害严重

桥梁工程场地类别，根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度将场地土分为四类。一般说来，一类土抗震性最好，二、三类土次之，四类土在强震的作用下导致地基失效，故震害较重。

2.3 顺桥向震害比横桥向震害严重

由于顺桥向刚度比横桥向小。顺桥向搭接长度比墩台横桥向富裕宽度小，各梁在顺桥向为串联结构，而横桥向为并联结构，因此地震荷载和相对位移在顺桥上出现较大的传递和不均匀分配。

2.4 原因分析

（1）所发生的地震强度超过了抗震设防标准。

（2）桥梁场地对抗震不利，地震引起地基失效或地基变形。

（3）桥梁结构设计、施工方法不当。

（4）桥梁结构本身抗震能力不足等。

3 桥梁的防震措施

通过以上对地震给桥梁造成的损坏及原因分析，新建桥梁时要从勘察设计阶段采取防震措施，并应进行抗震强度和稳定性的验算[4]。

3.1 一般防震措施

（1）地质勘探时查明对桥梁抗震有利、不利和危险的地段，按照避重就轻的原则，充分利用有利地段选定桥位，采用对抗震有利的桥梁形式。

（2）在可能发生河岸液化滑坡的软弱地基上建桥时，可适当增加桥长、合理布置桥孔，避免将墩台布设在可能滑动的岸坡上和地形突变处;并适当增加基础的刚度和埋置深度，提高基础抵抗水平推力的能力。

（3）当桥梁基础位于软弱黏性土层或在软弱地基土时，应采用桩基础，当桥梁基础置于可液化土层上时，桩底应穿过软弱土层，并在稳定土层中有足够的嵌入长度。

（4）尽量减轻桥梁的总重量，尽量采用比较轻型的上部构造，避免头重脚轻，对振动周期较长的高桥，应按动力理论进行设计。

（5）加强上部构造的纵、横向联结，加强上部构造的整体性。选用抗震性能较好的支座加强上、下部的联结，增大梁的搁置长度，采取限制上部构造纵、横向位移或上抛的措施，防止落梁。

如图1，简支梁梁端至墩、台帽或盖梁边缘应满足一定的距离，其最小值a≥50+0.1L+0.8H+0.5Lk（cm），且不应小于60 cm。

式中：L—一联上部结构总长度（m）;

H—支撑一联上部结构桥墩的平均高度（m），桥台的高度取值为0;

Lk—一联上部结构的最大单孔跨径（m）。

（6）加强桥台胸墙的强度，并在胸墙与梁端之间填充缓冲材料，以缓和梁体对桥台胸墙的冲撞。

（7）多孔长桥宜分节建造，各桥墩高度宜相近，在桥墩柱中布设横向连接钢筋或化长桥为短桥，使各分节能互不依存地变形。

（8）用砖、石和水泥混凝土等脆性材料修建的建筑物，抗拉、抗冲击能力弱，接缝处是弱点，易发生裂纹、位移、坍塌等病害，应尽量少用，并尽可能选用抗震性能好的钢材或钢筋混凝土。

3.2 能力保护措施

所谓能力保护就是通过设计，使结构体系中的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性的破坏模式[5]。按能力保护设计原则，桥梁设计时应考虑以下几方面：

（1）桥梁墩柱作为延性结构设计，可以发生弹塑性变形，耗散地震能量，因此，塑性铰的位置一般选择在墩柱上。

（2）墩柱的設计剪力值按能力设计方法计算，应采用墩柱的极限弯矩（考虑超强系数）所对应的剪力。在计算设计剪力值时应考虑所有潜在塑性铰位置（如图2），以确定最大的设计剪力。

（3）盖梁、结点及基础按能力保护构件设计，其设计弯矩、设计剪力和设计轴力应为与墩柱的极限弯矩（考虑超强系数）所对应的弯矩、剪力和轴力;在计算盖梁、节点和基础的设计弯矩、设计剪力和设计轴力时，应考虑所有潜在塑性铰位置，以确定最大的设计弯矩、剪力和轴力。

3.3 抗震构造措施

（1）对于简支梁、连续梁、系杆拱等梁式体系，必须设置阻止梁墩横桥向相对应位移的构造，阻止梁的横向位移。

（2）对于悬臂梁和T型刚构除采取与简支梁、连续梁、系杆拱等梁式体系相同措施外，还应采取阻止上部结构相互之间出现横桥向相对位移的构造措施。

（3）对于活动支座，均应采取限制其位移、防止其歪斜的措施。

（4）对于简支梁应采取措施防止地震中落梁，可采取螺栓连接、钢夹板连接，以及将基础置于可液化层一定深度等措施。

（5）不论是梁式桥还是拱桥尽量避免在不稳定的河岸修建，并应合理布置桥孔，避免将墩台布设于在地震时可能滑动的岸坡突变处。大跨径拱桥的主拱圈宜采用抗扭刚度较大、整体性较好的断面形式，如箱形拱、板拱等。当主拱采用组合断面时，应加强组合截面的连接强度。

3.4 桥梁减隔震措施

对于桥梁的隔震设计，最重要的因素就是设计合理、可靠的减隔震装置并使其在结构抗震中充分发挥作用，即桥梁结构的大部分耗能、塑性变形集中于这些装置，允许这些装置在大地震作用下发生大塑性变形和存在一定的残余位移，而结构其他构件的响应基本为弹性或有限塑性。

在场地条件比较稳定的情况下，适合使用减隔震装置。对于基础土层不稳定、易于发生液化的场地，下部

结构刚度小、桥梁结构本身的基本振动比较长，位于场地特征周期比较长、延长周期可能引起地基与桥梁结构共振以及支座中出现较大负反力的情况下，一般不采用减隔震装置。

4 结语

公路桥梁是我国的一项重要的基础设施，对我国社会经济的发展和对人们的基本的安全出行有着重要的作用，为减轻地震对桥梁的危害，设计时采取合理的结构形式使其具有较强的抗震能力可以大大减轻震害的产生。在桥梁抗震设计要重视以下几点：

（1）要重视桥梁结构的总体设计，选择理想的抗震结构体系。

（2）要重视延性抗震，并且必须避免出现脆性破坏。

（3）要重视结构的局部结构设计，避免出现构造缺陷。

（4）要重视桥梁支承连接部位的抗震设计，同时采用有效的减隔震装置。

参考文献

[1]公路工程抗震规范：JTG B02—2013[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2]公路桥梁抗震设计规范：JTG/T 2231-01—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[3]建筑抗震设计规范：GB 50011—2010（2016年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[4]刘健新，赵国辉，李加武.汶川地震及中国公路桥梁抗震设计规范的变迁[J].交通科学与工程，2009（1）：21-25.

[5]周科，冷艳玲.汶川地震桥梁损毁分析及公路桥梁抗震设计初探[J].公路交通科技（应用技术版），2010（6）：139-142.