尹永杰

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司合肥分公司，合肥 230001）

1 引言

随着基础交通设施建设的不断推进，山区公路作为促进经济发展的重要工程，其建设步伐也逐年加快。但由于山区公路建设里程一般较长，沿线的地形地貌差异较大、水文地质条件也较为复杂，使得山区公路桥梁的设计难度相对于平原地区更大。近年来，我国地震频发，如2008 年汶川地震、2010 年玉树地震、2013 年雅安地震等。与此同时，桥梁作为山区公路的枢纽构造物，如果桥梁因抗震设计方法不正确、抗震加固措施不合理、抗震性能达不到相关抗震设计规范的要求而遭受破坏，可能直接或间接地引起巨大的经济损失和人员伤亡。研究成果表明【1】，目前我国公路桥梁的抗震设计方法从单水准一阶段设计慢慢发展至双水准两阶段设计，抗震设计规范也从单一简略过渡到系统详细，但针对山区公路桥梁的研究较少，研究成果往往也只具有明显的地域性。因此，研究山区公路桥梁的抗震设计方法和经济合理的抗震加固技术具有十分重要的意义。这样不仅可以提高山区公路桥梁的建设水平，还可以推动我国桥梁加固技术的发展，从而加强公路交通网的抗震减灾规划能力。

2 山区公路桥梁的震害类型及成因

山区公路桥梁在遭受地震作用后，可能存在上部结构震害、墩柱震害、基础震害3 个方面，各种类型病害特点及原因如下。

2.1 上部结构震害

山区公路桥梁的上部结构震害按机理应当分为结构震害和位移震害2 类，其中后者发生频率更大。位移震害一般是指桥梁的上部结构（主梁结构、桥面、伸缩缝等）出现横向或纵向位移。此外，如果上部结构产生的位移大于墩柱位移，则可能会引起桥梁结构整体受到严重损害，出现主梁破坏、“落梁”等病害，如图1 所示。

图1 山区公路桥梁上部结构病害

2.2 墩柱震害

山区公路桥梁的墩柱震害可以划分为剪力破坏和塑性铰破坏2 类。主要原因在于：一方面，在反复的地震能量作用下，桥梁墩柱顶部和底部容易出现收缩现象，从而失去其支撑力；另一方面，墩柱的承载力强度往往会随着地震持续作用而大幅降低。

2.3 基础震害

如果山区公路桥梁的地基受到地震能量的影响，砂土可能会出现液化现象，会使得地基土的部分或全部承载力丧失而破坏。同时，桥梁的基础构造物也会受到一定程度的不利影响，这种不利作用主要表现为基础结构的下沉、水平滑移、断裂等病害。

3 山区公路桥梁的抗震设计原则和方法

3.1 桥梁的抗震设计原则

根据相关桥梁病害调查结果可知【2】，很大一部分运营期间的山区公路桥梁同时出现桥墩、基础等构件抗震能力不足的问题。如果对桥梁的支座、桥墩、盖梁等构件均展开加固措施，会存在费用较大、效率低、耗费时间长等问题，且桥梁构建加固时会直接干扰到桥梁正常运营。鉴于此，笔者提出桥梁抗震设计应当遵循以下2 个原则：（1）应当针对抗震能力较弱的桥梁构件，从增强桥梁抗震能力和减弱桥梁地震反应2 个途径来制定经济合理的加固措施；（2）将桥梁局部构件加固方案进行比选，加固措施确定之前应当对桥梁正常使用条件的限制经营综合考虑。

3.2 桥梁的抗震设计方法

目前，国内外的山区公路桥梁抗震设计方法处于持续改进和发展的状态，已经逐步呈现出从强度控制设计过渡到位移、延性控制设计到性能和能量控制设计转变的趋势【3】，但性能和能量控制设计仅仅是研究阶段，在实际桥梁抗震设计过程中应用较少。山区公路桥梁抗震设计常用方法有静力法、反应谱法、时程分析法等。

静力法计算较为简便，但该方法未将桥梁在地震波作用下的变形和动力特性考虑在内，故一般往往只适用于桥台、挡土墙等重量较大的刚性结构；反应谱法是山区公路桥梁抗震设计中最普遍的方法，该方法可以将桥梁所在场地的地震能量视为反应谱输入，从而得到桥梁结构对于地震的动态响应规律。但反应谱法未考虑地震的随机性，计算方法仍然是基于线弹性理论，不能计算出桥梁结构进入塑性屈服之后的应力、变形等变化特征；时程分析法能够计算出桥梁结构在地震波作用下任何时刻的结构内力、变形和加速度等参数，还能模拟出桩—土间的相互作用，一般能用在跨度大或结构较为复杂的山区公路桥梁的抗震设计。

由上可知，在山区公路桥梁抗震设计过程中，应当根据桥梁结构本身的特点、所处场地等方面综合考虑，从而确定合适的抗震设计方法。但由于地震波的作用往往具有复杂性、随机性等，且桥梁结构计算时的假设条件未必与实际相符，这就使得各桥梁抗震设计方法所得到的计算结果仍比较粗糙，故一味追求数值计算的准确是没有工程意义的。在山区公路桥梁抗震设计过程中，设计人员应重视概念设计，将基于强度控制的设计理念过渡到基于位移、延性控制的设计理念。

4 山区公路桥梁的抗震加固措施

山区公路桥梁采取抗震加固措施目的就是为了避免桥跨倒塌，使桥梁结构的损伤、破坏在可控范围内。近年来，在进行山区公路桥梁的抗震加固措施设计时，一般是基于将桥梁上部结构视为弹性、将桥梁的下部结构视为延性的抗震体系【4】。山区公路桥梁的上部结构出现“落梁”、倒塌、撞击等病害，主要原因是下部结构不稳定、各墩柱间的运动相异、相邻桥段伸缩缝不断撞击等，故在确定桥梁进行抗震加固措施时，应当重点关注桥梁下部结构的抗震能力。目前，山区公路桥梁抗震加固主要有2 种方法：（1）提高桥梁结构的抗震能力，使其有足够的强度抵抗地震波的破坏；（2）降低桥梁结构对地震波的动态响应（如增加隔震支座），使结构的强度能满足抗震要求。鉴于此，笔者提出山区公路桥梁的抗震加固措施划分成上部结构加固措施、下部结构加固措施、减震隔震加固措施3 大类，如图2 所示。

图2 山区公路桥梁抗震加固措施分类

5 结语

本文对山区公路桥梁常见震害、抗震设计原则、设计方法、抗震加固措施等方面展开了深入的研究，主要得到以下几个方面的结论：

1）山区公路桥梁在地震作用下，可能存在上部结构震害、墩柱震害、基础震害等，其中，上部结构震害可分为结构震害和位移震害，墩柱震害可分为剪力破坏和塑性铰破坏；

2）山区公路桥梁抗震设计方法已经逐步从强度控制设计过渡到位移、延性控制设计，目前抗震设计常用方法有静力法、反应谱法、时程分析法等；

3）山区公路桥梁抗震加固可以从提高桥梁结构的抗震能力和降低桥梁结构对地震波的动态响应2个方面着手，同时笔者提出山区公路桥梁的抗震加固措施划分成上部结构加固措施、下部结构加固措施、减震隔震加固措施3 类。