浅析桥梁的震害现象及抗震设计

付明春，李殿平 （大连海洋大学应用技术学院，辽宁 大连 116023）

0 前 言

我国是地震频发国家，跨越世界最活跃的两个地震带。在地震发生后的紧急救援、抗震救灾以及灾后重建中，桥梁作为生命线工程中的关键部分，具有举足轻重的作用。1976年唐山地震，20万人死亡、16万人受伤，这次地震使唐山市遭到毁灭性破坏；1999年台湾集集地震，造成2400多人死亡和1万多人受伤、5座桥梁倒塌、至少9座桥梁严重破坏、7座桥梁受到中等程度破坏；2008年汶川地震，近7万人死亡、37万人受伤，造成的损失远比唐山大地震还要严重。汶川地震中道路、桥梁等生命线工程被严重破坏，严重阻碍了灾后救援工作的顺畅进行，从而加剧地震灾害的严重性，造成生命和财产的极大损失，因此桥梁震害和抗震设计方法成为桥梁抗震的重要课题[1]。

1 桥梁震害现象

对国内外震害的调查表明，在过去的地震中有许多桥梁遭受了不同程度的破坏，其主要震害现象有以下几类。

1.1 落梁破坏

桥梁上部结构一般具有较大的强度，直接发生破坏的情况在地震时一般出现较少。落梁的原因一般有支座破坏、桥墩之间地震相对位移过大、梁的支撑长度不够、梁间地震碰撞等。

图1为1995年日本阪神地震西宫港大桥落梁破坏；图2为汶川地震中庙子坪大桥发生落梁破坏。

1.2 桥台桥墩滑移

对于越过河流的桥梁结构，常在河岸的缓坡处设置桥墩，在坡岸上建造桥台，当地震动的作用较大时，桥台及桥墩会产生沉陷、断裂或倾斜，甚至是倒塌破坏。由于桥台的构造特点，在地震作用下，土体自会出现液化和震陷等破坏现象，土体滑移时会给桥台带来巨大的推力，造成桥台破坏。

图1 阪神地震西宫港大桥落梁破坏图

图2 汶川地震中庙子坪大桥发生落梁

图3 桥墩剪切破坏（汶川大地震，2008）

图4 桥墩弯曲破坏（阪神地震，1995）

1.3 支座破坏

当地震发生时，支座处会发生过大的变形和位移。支座构造本身的破坏或支座处锚固螺栓剪断、拔出等，致使结构受力及传递形式发生改变，从而会造成对其他部位结构的不利影响。

1.4 桥墩剪切破坏

地震时，桥墩的剪切破坏非常常见，使桥梁遭受破坏的重要原因之一。剪切破坏的破坏形态以斜方向上的剪切裂缝为主。在斜裂缝出现以前,以混凝土为主承受桥墩的抗剪作用,呈现斜裂缝后,横向约束钢筋和混凝土共同抗剪。当横向约束钢筋含量偏小，地震时就容易发生桥墩剪切破坏。图3为汶川地震造成某桥墩顶部出现的剪切破坏。

1.5 桥墩弯曲破坏

当结构的剪切破坏的承载能力大于弯曲承载能力，即抗弯性能在结构承载力中起控制作用时，结构将发生弯曲破坏。弯曲破坏是延性破坏，一般表现为混凝土严重剥落、核心混凝土压溃、开裂等，并会产生很大的塑性变形，因此这种破坏通常可以避免桥梁在地震中发生倒塌破坏。图4为1995年阪神地震中的桥墩弯曲破坏。

2 桥梁抗震设计方法与对策

2.1 桥梁抗震设计内容

在桥梁抗震设计方面，其研究内容包括[2]:

①确定地震中预期的延性构件和能力保护构件，选择地震中延性构件潜在的塑性铰位置。

②进行多遇地震、设计烈度地震和罕遇地震作用下的地震反应分析。多遇地震作用下的地震反应分析可采用反应谱方法，而设计烈度地震和罕遇地震作用下的地震反应分析应采用非线性时程分析方法。

③根据箍筋约束混凝土的应力一应变曲线进行桥墩塑性铰区域的转动能力分析，以确定桥墩塑性铰区域的容许转动能力。

④进行多遇地震作用下桥墩强度验算；设计烈度地震作用下桥梁上部结构和下部结构的连接构件验算；罕遇地震作用下桥墩塑性铰区域的转动能力验算。

⑤根据能力保护原则进行能力保护构件设计，以确保在地震作用下能力保护构件处于弹性分析范围。

⑥抗震构造细节设计。

2.2 桥梁抗震设计方法

在对几次大地震的震害调查和研究总结，并从中吸取经验教训后，人们普遍意识到桥梁抗震性能的重要性和意义，对桥梁结构抗震设计方法及理论进行了一系列的研究。

当前桥梁的抗震设计方法主要有：基于强度和基于位移的抗震设计方法。国内外的主要现行规范一般采用基于强度的抗震设计方法，如我国的铁路工程抗震设计规范，欧洲EUROCODES规范和美国AASHTO规范均采用基于强度的设计方法，该方法考虑反应修正系数或综合影响系数，用等效静力法或反应谱法计算地震作用效应，再依据地震作用效应对结构构件的强度进行设计或检验；基于位移的抗震设计方法是时下发展起来的一种新的抗震设计方法，抗震设计时，主要强调检验，加利福尼亚州运输部在1999年版的最新抗震设计准则中采用了该方法[3]。

近20年来，美国及日本等许多国家先后提出了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的分类设防抗震设计思想，目前该设计思想已被广泛接受。我国目前采用的是三水准抗震设防目标及两阶段设计。

2.3 桥梁抗震设计对策

合理的抗震设计，要求设计出来的结构，在强度、刚度和延性等指标上有最佳的组合，使结构能够经济地实现抗震设计的目标。要达到这个要求，就需要设计工程师深入了解对结构地震反应有重要影响的基本因素，并具有丰富的经验和创造力，而不仅仅只是按规范的规定执行。

2.3.1 场地选择

选择桥址时，应选择坚硬的理想场地（基岩、坚实的碎石类地基、硬粘土地基），避开地震时可能发生地基失效的松软场地（人工填土、极软的粘土地基、不稳定的坡地）。

2.3.2 体系的整体性和规则性

桥梁的整体性要好，上部结构应尽可能是连续的。整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被震散掉落，同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。无论是在平面或立面上，结构的布置都要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规整，避免突然变化。

2.3.3 加强结构延性抗震设计

加强结构延性抗震设计，可以使结构具有良好的弹塑性变形，则桥梁在遭遇强烈地震时，尽管可能损坏严重，但能保证结构抗震设防的最低目标，免于倒塌；在进行抗震设计时，要根据结构特点和场地地震波的频率特性，选用合适的减隔震装置。

2.3.4 能力设计原则

能力设计思想要求在一座桥梁内部建立合理的强度级配，即强调强度安全度差异，在不同构件和不同破坏模式之间确立不同的强度安全度，以确保在大地震作用下，破坏只发生在可控预定的部位，即结构的反应形式为延性，不出现脆性破坏。“强柱弱梁，强剪弱弯和强节点弱构件”的设计思想目前在我国被广泛应用[4]。

2.3.5 多道抗震防线

应尽力使桥梁具有多道抵抗地震侧向力的体系，则在强地震动过程中，一道防线破坏后尚有第二道防线可以支承结构，避免倒塌。因此，超静定结构优于同种类型的静定结构。但相当于建筑结构，桥梁在这方面可利用的余地通常并不大。

3 结 论

针对目前大量桥梁倒塌毁坏的教训,应该开展抗震支座、各类桥墩的延性设计研究,利用约束混凝土以提高桥梁墩体的延性。结合我国桥梁结构的情况，研究结构控制的有效形式,加强抗震措施,用“以柔克刚”的设计思想对地震区的桥梁进行设计,改变“以刚克刚”的传统设防观点，在桥梁设计过程中更要认真分析结构的地震响应和特性,采取有效的抗震措施以达到结构的防震和抗震效果。

[1] 柳春光.桥梁结构地震响应与抗震性能分析[M].北京：中国建筑工业出版社,2009.

[2] 国家标准抗震规范管理组.建筑抗震设计规范统一培训教材[M].北京：中国建筑工业出版社,2002.

[3] 华南理工大学，等范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社,1997.

[4] 胡聿贤.地震工程学(第二版)[M].北京：地震出版社,2006.