王成江WANG Cheng-jiang

（广州市城建规划设计院有限公司市政四分院，广州 510000）

0 引言

我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受板块之间的挤压影响，我国地震活动频度高、影响大，尤其是位于东南沿海及西南地区的地震。我国年均发生24次5级以上地震，对人民的生命及财产安全造成巨大的威胁。地震发生后，道路交通成为救援的生命线，保证生命线的畅通尤其重要。其中桥梁是生命线的重要节点，因此，国家出台相应的桥梁抗震设计条文，明确桥梁设计中，要保证桥梁小震不坏，中震可修，大震不倒。大震情况下，能紧急临时加固，保证救援通道畅通。

因此，研究桥梁结构在地震发生后的破坏形态及其破坏原因，分析目前桥梁设计中存在的问题，提出相应的抗震设计方法，进而提高桥梁的抗震能力，确保桥梁在震后救灾和家园重建的过程中满足相应的交通需求，具有重要的意义和价值。

1 预制装配式桥梁地震中易发生的问题

随着我国经济发展水平的不断提高，社会发展需要配套的基础设施建设。目前规划的国家公路网约40万里程。为了使缩短建设的时间，保证桥梁的施工质量，现在长一些的桥梁，基本都是采用预制装配式的。预制装配式上部结构能进行工厂化生产，既提高了效率，也保证了质量。时间上，上下部结构可以同步施工，预制梁现场吊装，大大缩短了工期。因此，我国预制装配式桥梁的占比很高，很多地区也颁布了一些适合本地区的通用图，供设计者参考使用。鉴于预制装配式桥梁使用如此之广，跨越我国疆域之大，有些桥梁不可避免地会建设于高烈度的地震区。因此，设计者应根据工程场地实际情况，合理地设计桥梁抗震，使之符合相关地震区特性及规范要求。

1.1 下部结构易发生开裂、变形、剪切破坏

桥梁下部结构，在地震动的作用下，会产生可见的较大变形，继而会让下部结构产生开裂，甚至破坏。相关地震受灾地区的桥梁墩柱的调查资料显示，在墩底和墩顶的位置，是桥墩发生损坏的关键节点。损伤小的会出现裂纹，损伤大的则外部混凝土已经脱落，露出的钢筋发生屈曲，有的甚至还发生剪切破坏。

1.2 上部结构易发生位移、落梁

上部结构的预制梁，主要是受上下部结构相对位移及下部结构损坏的影响而发生损伤的。当下部结构产生较大位移或者破坏时，上部结构会随着下部结构的变化而变化。轻则导致梁体平动、扭转及碰撞，重则发生落梁破坏。

1.3 支座易发生剪切变形超限、脱空

支座作为承上连下的构件，在桥梁中至关重要。桥梁在地震动中，在瞬时加速度的作用下，上下部结构相对位移，对支座产生剪切效应。支座的剪切变形若超过支座的变形能力时，支座将产生不可恢复的变形。变形更大的话，则会使支座脱空，使本该产生支撑作用的支座失效，进而导致上部预制梁的受力体系发生改变。此时邻近的预制梁若不发生脱空，则会产生更大的支座反力，超过支座的承载能力。

1.4 场地发生液化

桩基若处于砂土等会产生液化的不良抗震地质情况时，液化的地基会对桩基产生不利的影响，继而影响桩基与预制梁。液化的地基土相当于将原本稳定的土体变成了另外一种受力性质极差的土体，改变桩基原本的平衡受力状态，让桩基产生大变形大位移，危及上部结构安全。

2 预制装配式桥梁抗震设计及抗震措施

2.1 考虑场址的稳定性

地震发生时桥梁所处地区的地质条件对桥梁震害有重要影响，故桥梁建设选址时应充分考虑地质稳定性，确保地震发生时桥梁基础不会产生过大的位移，尤其要避免将桥梁修建在活跃断层的区域。同时，应进行详细的地质勘察，提前探明桥梁所处的地质情况，是否会出现地震导致的地基沉陷和砂土液化等问题。必要时，还需要专门进行地震安全性评价，用于指导设计。

桥梁所处的场地位置，一般由总体设计确定。因此，在前期设计时，设计者应提前熟悉桥梁所在场地，根据初勘资料判断是否为抗震不良场地，提前在总体线位上避免桥跨处于不良抗震区域。不能避免时，应提前对桥梁结构方案进行专题抗震设计，使桥梁结构方案具备相应的抗震性能。

2.2 选择合适的材料、增加约束及维护结构

在选择材料的时候，需要依照地震场地实际状况，选取强度高、抗震性能好的材料。设计时，在受力较大部位，以增加约束的方式，保证结构的可靠度，例如在桥墩上增设系梁，减小了桥墩的计算长度，增加了桥梁结构的稳定性。必要时，可在桥梁周围设置抗震维护结构，例如，桥梁结构地处山脚下，且山体在地震作用下易受扰动时，需设计防震围挡结构，防止地震引发的山体滑坡直接冲击桥梁，导致桥梁损坏或者倒塌。

2.3 桥梁抗震的结构模拟计算

根据桥梁结构在地震作用下动力响应的复杂程度，可将桥梁分为两类，即规则桥梁和非规则桥梁。对于规则桥梁的抗震分析、设计与校核，根据目前积累的大量震害经验及理论研究成果，采用简化计算方法和设计校核步骤就可以很好地把握其在地震作用下的动力响应特性，并使设计的结构满足规范预期的性能要求。对于非规则桥梁，由于其动力响应特性复杂，采用简化计算方法不能很好地把握其动力响应特性，因此《公路桥梁抗震设计规范》JTG/T 2231-01—2020要求采用比较复杂的分析方法和设计校核过程来确保其在实际地震作用下的性能满足规范的设计要求。E1地震作用下，结构处在弹性工作范围，可采用反应谱方法计算，对于规则桥梁，由于其动力响应主要由一阶振型控制，因此可采用简化的单振型反应谱方法计算。E2地震作用下，虽然容许桥梁结构进入塑性工作范围，但可以利用结构动力学中的等位移原理和等能量原理，对结构的弹性地震位移反应进行修正来代表结构的非线性地震位移反应，因此也可采用反应谱方法进行分析；但对于多联大跨度连续梁桥等复杂结构，只有采用非线性时程的方法才能正确预计结构的非线性地震反应。[1]一般桥梁可以采用计算机程序辅助计算的方式来进行抗震计算，计算结果基本可以满足工程需要。但当设计特大桥或者复杂桥梁的时候，除了进行电算，还需要采用微缩模型进行实验。实验模型要能反应结构的动力特性。实验能更准确地反应桥梁结构在地震作用下响应，可以发现一些电算结果所不能发现的问题，将隐患的苗头提前掐灭。

2.4 墩柱抗震设计

墩柱是桥梁建设中的重点所在，不仅起到支撑桥梁上部结构的作用，而且对于减震和隔震也发挥着关键作用，因此墩柱也是抗震设计的重点之一。桥梁结构抗震设计应按《公路桥梁抗震设计规范》JTG/T 2231-01—2020规范要求，采取两水准抗震设防。E1地震作用下，桥梁结构不发生损坏。此时注意桥墩的尺寸及配筋，在E1地震作用下，不能出现裂缝，能保证震后不用维修加固就能正常使用。当出现E2地震作用时，桥梁不能出现垮塌。此时可考虑墩顶墩底进入塑性状态，依靠塑性铰进行耗能，既规范所说的延性设计。目的是让设计的塑性铰要在地震作用下，发挥其作用。注意不能让非塑性铰部分在地震作用下先于塑性铰位置发生损坏。因此，还需对其它结构位置进行能力保护构件的设计。

2.5 桥梁的细部构造措施设计

桥梁的抗震细部构造措施，对桥梁结构应对地震损害，防止进一步损伤具有重大意义。例如，在梁端设置防止落梁的纵向限位措施，将梁底与桥墩盖梁用锁链联系起来，当产生较大位移时，能防止梁体发生落梁。同样限位道理，在盖梁左右侧设置防震挡块，也是很有效的限位措施。桥梁设计时，也需根据《公路桥梁抗震设计规范》JTG/T 2231-01—2020的要求，保证局部构造尺寸满足抗震要求。

2.6 设置减隔震装置

近年来，减隔震成为桥梁抗震的有效措施。新西兰、日本、意大利和美国的几百座桥梁在抗震设计中都采用了隔震原理和技术。隔震的主要目的就是延长结构的基本周期，降低地震力，但是地震力的降低必然伴随着结构位移的增大，另外，长周期桥梁在使用荷载下容易发生振动。所以，在延长结构周期的同时，通常使用阻尼装置，这样，既可以控制结构位移，也可以增加刚度。由于降低了地震力，上部结构和基础节约了成本，长期抗震维修费用也得到降低，隔震装置的费用可以得以弥补。桥梁减隔震系统有三个基本要素：一定的柔度，以延长桥梁周期、降低地震力；阻尼或能量耗散装置，用来减小支承面处的相对位移；一定的刚度，保证结构在低载或使用荷载（如风载或制动力）下正常工作。[2]目前，减隔震装置的类型很多，例如摩擦摆隔震支座、高阻尼抗震橡胶支座、球形抗震支座等等。设计者应根据结构的动力相应，抗震支座容许的承载力、位移，抗震支座的阻尼特性等，选择适合对应桥梁结构的支座。

2.7 完善抗震设计规范体系

在进行桥梁设计时，设计者应注重对桥梁的抗震性能进行设计，设计出符合场地烈度，场地地震动特性的桥梁抗震体系。并在工程实践及实验中，从可靠的桥梁抗震体系、抗震措施中汲取经验，总结理论。从发生震害的“本可避免”事故中吸取教训。为抗震设计规范建言献策，不断辅助完善已有的桥梁设计抗震规范体系，编制出适用于本国本地区的规范。从而减少地震对桥梁的损害，保障人民的生命财产安全。

2.8 采用监控桥梁的物联网技术

物联网技术是互联网时代的新科技。在桥梁施工、运营、维护过程中，起着重大的作用。我们可以通过提前预装在桥梁上的传感器，监控桥梁此时此刻的状态，收集全部数据后，还可以对数据进行处理分析，提前预判桥梁未来可能发生的状况，做好应对措施。尤其是桥梁在发生震害后，能及时准确地反馈出桥梁的健康状况，准确地查出损坏部位，在短时间内能为桥梁进行维修加固。这对于震后分秒必争的救援时间，无疑是非常重要的。

图1结构计算模型

3 工程实践

笔者曾参与一个跨铁项目，由于涉铁桥梁的重要性要远高于一般公路桥梁，因此，对该预制装配式桥梁进行抗震计算。

该项目的道路等级为二级公路，设计车道数为双向四车道，设计速度40km/h。抗震设防烈度为7度，地震动峰值加速度0.12g，Ⅳ类场地，特征周期0.75s。E1地震重要性为0.61，E2地震重要性系数为2.14。

桥梁主桥设计跨径为2×40m预应力砼（后张）连续小箱梁，主桥前后各一联的引桥，均为2×28m采用预应力砼（后张）连续小箱梁，桥梁斜交60°。主桥上部小箱梁梁高2.2m，顶板厚0.2~0.33m，底板厚0.2～0.36m，腹板厚0.20～0.32m，腹板厚度按线性变化。引桥上部小箱梁梁高1.6m，顶板厚0.2m，底板厚0.2～0.3m，腹板厚0.19～0.32m，腹板厚度按线性变化。主桥桥墩采用1.6×1.6m方柱，柱间距为5m，盖梁高度为2.3m，宽度为2.4m，采用矩形承台加8根桩径为Ø1.0m的钻孔灌注桩的基础形式。引桥桥墩采用1.4×1.4m方柱墩，柱间距为3.0m，盖梁高度为1.7m，宽度为2.0m，采用矩形承台加6根桩径为Ø0.8m的PHC预应力管桩的基础形式。支座采用四氟滑板橡胶支座+铅芯橡胶支座形式。

采用通用有限元软件MIDAS CIVIL模拟上下部结构（如图1），考虑结构的质量、刚度、阻尼特性，输入3条地震波进行模拟，分别模拟E1、E2地震作用下的结构动力响应。

由于墩身在地震作用下为薄弱构件，也是重要构件，表1、表2对桥墩进行分析。

表1 E1地震作用下墩身控制截面计算表

表2 E2地震作用下墩身控制截面计算表

由计算结果可知，E1地震作用下计算结果均满足要求。

由计算结果可知，在E2纵向地震作用效应组合工况下，桥墩处于弹性状态，未进入屈服，满足要求。

墩身计算结论：由以上计算结果可知，在E1、E2地震作用下，墩身的结构抗力很好地满足了在地震作用下的要求，墩身结构设计合理。

4 结语

我国是桥梁建设大国，尤其在公路桥梁方面，预制装配式桥梁使用范围甚广。因此，保证桥梁在全生命周期内，安全可靠地运营是极其重要的。有必要在桥梁设计过程中，通过对桥梁抗震体系、抗震措施的预先设计，减少在运营过程中出现的震害，减少人民的生命财产损失。相信在新材料、新科技、新理论的推动下，桥梁抗震设计会有更大的飞跃。