从日本地震看桥梁抗震设计

刘 军

1 概述

2011年3月11日13时46分(北京时间13时46分)发生在西太平洋国际海域的里氏9.0级地震，震中位于北纬38.1°，东经142.6°，震源深度约20 km。日本气象厅随即发布了海啸警报称地震将引发约6 m高海啸，后修正为10 m。根据后续研究表明海啸最高达到23 m。日本防卫省12日称，离震中较近的福岛县南相马市约1800户人家遭受毁灭性打击，遇难者恐超千人。灾区很多房屋在地震中倒塌烧毁，还有一些被海啸冲走，损失惨重。有关人士表示日本地震的破坏力相当于20多个汶川地震。

自2010年以来，全球地震灾害不断。2010年是智利8.8级大地震，2011年是日本的9.8级大地震，地球进入了第三次地震频发期。随着现代化城市人口的大量聚集和经济的快速发展，地震造成的损失越来越大。地震灾害不仅是大量地面构筑物和各种设施的破坏和倒塌，而且次生灾害中因交通及其他设施的毁坏造成的间接经济损失也十分巨大［1］。

中日桥梁抗震设计规范比较:

1)设计地震动水准:我国抗震设计的三个水准是:多遇地震重现期为50年;设计地震重现期为475年;罕遇地震重现期为2475年。日本设计预期地震分为两个水准:L1地震动是指在结构物的设计使用期限内可能发生数次的地震;L2地震动是指结构物的设计使用期内发生的几率虽低，但强度非常大的地震［2］。

2)抗震设防目标:我国规定了三种抗震性能要求:“小震不坏”是指结构物地震后不损坏或有轻微损坏，能保持其正常使用功能;“中震可修”是指地震后结构物可能损坏，经修补后短期内能恢复其正常使用功能;“大震不倒”是指地震后结构物可能产生较大破坏，但不出现整体倒塌，经抢修后可限速通车。日本也规定了三种抗震性能要求:一级是指地震后不需修补就能保持功能，而且不发生过大变形;二级是指地震后需要修补，但能尽快恢复功能;三级是指地震后结构物不发生整体破坏。

3)中国规范的抗震设计反应谱曲线的平台宽度比日本小，对于反应谱中的加速度反应最大值，要结合日本规范的两种地震动水准(Ll和L2)进行比较，并考虑中国规范的设防烈度［2］。

2 桥梁抗震

中国处于世界两大地震带——环太平洋地震带和亚欧地震带之间，是一个地震多发的国家，我国大概有公路桥梁20多万座，其中大部分位于地震区，很多桥已经年久失修，又受到使用荷载和环境因素等作用，许多桥梁的抗震性能发生了很大变化。公路桥梁在地震中的损伤将会直接造成国民经济的损失和人民群众生命财产的破坏［5］，因此我们必须花大力气做好桥梁的抗震工作。

2.1 桥梁抗震设计规定

桥梁抗震是为避免桥梁遭受地震的破坏所采取的技术措施。一般抗震设计有如下规定:

1)在选择公路工程建设场地时，可根据实际的地质情况和工程需要选择对抗震有利的地段，一般宜选在坚硬土或开阔、平坦、密实的中硬土地段，不宜选在孤突的山梁、软弱粘土和可液化土层等地段。2)选择合理的桥梁结构方案，确定路线的走向和主要控制点时，要避开基本烈度高的地区;在路线设计中要合理利用地形，尽量采用浅挖低填的设计方案。3)在桥梁抗震验算时，应分别考虑顺桥和横桥两方向的水平地震作用。对于简支梁和连续梁上部结构的抗震能力一般不验算，应采取抗震构造措施。

2.2 地震对桥梁的破坏

桥梁的结构主要为简支梁、连续梁桥和拱桥。典型桥梁震害如下:

1)落梁破坏:如果桥梁上、下部结构产生支承连接件不能承受的相对位移，则会使支承连接件失效，上部与下部结构脱开，导致梁体坠毁。桥梁上部结构的落梁是桥梁倒塌的首要原因。2)支撑破坏:支撑是联系上部结构和桥墩的主要构件。支撑破坏后可能引起落梁，或是使桥墩承受地震力而引起桥墩提早破坏，实际上很难设计到桥墩破坏时支撑仍未损坏。桥梁一般在水平或垂直方向设置止震块当第二道防线，支撑上的梁即使在纵向支撑或止震块破坏后也不至于落梁。在垂直车行方向上的支撑或止震块破坏后，有可能发生横向落梁现象［5］。3)墩柱破坏:墩柱如果不能抵抗自身的惯性力和由支座传递来的上部结构的地震力，就会开裂甚至是折断，发生该现象的原因主要是横向约束箍筋数量不足和间距过大，不足以约束混凝土和防止纵向受压钢筋屈曲。4)基础破坏:如果地基是软弱地基则易受地震震动而变弱，下部结构就很有可能发生沉降和水平移动。如砂土的液化和断层等。

2.3 桥梁抗震加固方法

我国规范对抗震加固的规定较少，主要内容:确定抗震加固的重点桥梁;采取防落梁措施;软基或可液化地基的处理;桥墩的钢套或现浇钢筋混凝土套加固;隔震支座［3］。

针对桥梁在地震中的震害类型，目前，国内外桥梁抗震加固主要采取以下技术措施:

1)在伸缩缝、梁端等上部接缝处采用拉杆、挡块或者增加支承面宽度等措施。2)通过延性设计，使桥梁的屈服只发生在预期的塑性铰部位，其余结构保持弹性。增加钢筋混凝土桥墩的横向约束，在墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋的配置，同时也要注意将墩柱的纵筋尽可能延伸至盖梁和承台的另一侧面，塑性铰加密区域配置的箍筋应延伸到盖梁和承台内。通过以上一系列措施可提高其抗弯延性和抗剪强度。3)采用减隔震技术提高桥梁的抗震性能。采用柔性支撑延长结构周期，减小结构地震反应;采用阻尼器装置耗散能量，限制结构位移;保证结构在正常使用荷载作用下有足够刚度。减隔震技术的适用条件:上部结构连续，下部结构刚度较大，结构基本振动周期较短;桥梁下部结构高度变化不规则，刚度分配不均匀;场地条件较好，预期地面运动特性具有较高的卓越频率。

3 结语

从最近发生的日本9级地震，我们应清楚的认识到桥梁和其他结构的设计，不仅要考虑到防止生命损失，更要考虑到地震以后，它们能否达到使城市继续运转的要求。这就要求桥梁工程界的专家们能够运用自己丰富的知识和实践经验，并且采用新技术、新材料提高桥梁的抗震防灾能力，保障人民群众的生命和财产安全。

［1］ 伊藤隆吉，王君杰.日本桥梁抗震设计规范［A］.中国土木工程学会桥梁及结构工程学会第十四届年会［C］.2000.

［2］ 翁 艳，朱宝龙.中日桥梁抗震设计规范的若干比较［J］.四川建筑科学研究，2010，36(3):161-163.

［3］ 郑 罡，牛松山.桥梁抗震加固方法与加固材料技术标准文献综述［J］.公路交通科技，2006(6):69-72.

［4］ 刘秀霞.桥梁抗震设计及抗震加固技术探讨［J］.城市建设，2010(14):26-27.

［5］ 王永刚.公路桥梁抗震性能评估研究［J］.机械科学与技术，2000(19):14-16.