论文《山区桥梁地震灾害及防御措施》-仁创编译转载

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　　【摘要】四川山区处在极其特殊的地理位置，桥梁建设面临巨大挑战，开展桥梁防震的相关研究具有重要意义。文章总结了近年来四川桥梁建设面临的地震引发的直接和间接灾害，归纳总结了四川省内已建桥梁防震主要措施，对山区桥梁建设具有借鉴意义。

　　【关键词】地震;桥梁;直接破坏;间接破坏

　　1四川山区桥梁建设面临的地震问题

　　1.1概述

　　四川山区处在特殊的地理位置，位于盆地向青藏高原的过渡地带，新构造运动强烈、地壳活动频繁，受三大活动断裂带影响，地震烈度高、强震频繁，次生灾害影响深远。近年来四川境内发生震级高、破坏严重的三次地震分别为“5·12”汶川地震、“4·20”芦山地震、“8·8”九寨沟地震，三次地震情况统计见表1。

　　1.2三次大地震中桥梁整体震害情况

　　1.2.1破坏等级分级为准确分析各桥梁的受损程度，对桥梁灾害做出客观评价，需要对桥梁的受损程度进行等级划分，基于灾后桥梁使用性能，将破坏等级分为A、B、C、D共4级，其中:A级———轻微破坏或无破坏:抢通阶段正常通行，灾后不需维修或经少量维修即可满足正常使用要求。B级———中等破坏:抢通阶段无需处置可满足应急通行需求，灾后经修复可满足正常使用要求。C级———严重破坏:抢通阶段须经过处置后方可满足应急通行需求，灾后须对其进行加固后才能满足正常使用要求。D级———完全损毁或失效:抢通保通阶段丧失通行功能，震后需对主要构件进行更换，如无修复必要，需进行重建。1.2.2三次地震中桥梁破坏情况统计汶川地震中调查国省干线桥梁2154座，桥型有简支梁、连续梁、连续刚构和拱桥，芦山地震后共调查桥梁148座，九寨沟地震后共调查桥梁95座，桥型有简支梁(板)、连续梁和拱桥(表2)。

　　1.3地震中桥梁震害特点

　　1.3.1地震直接破坏1.3.1.1梁式体系桥梁的震害通过对四川近年来重大地震中破坏桥梁的震害情况统计分析可知，梁式体系桥梁最为主要的震害表现为:(1)主梁位移，并导致支承系统、桥面系、伸缩缝等破坏。当主梁位移量过大，主梁出现不稳定支承甚至发生落梁时，桥梁将失去全部承载能力，属毁坏性震害(图1、图2)。(2)桥墩破坏，此破坏形式属于严重的结构性震害，常见的桥墩震害有开裂、倾斜、塑性铰、压溃、剪切及倾覆等，出现严重桥墩破坏的桥梁，可能导致全桥的倒塌(图3、图4)。(3)基础震害:地基震害表现形式主要有地基开裂、地表滑移变位等，此破坏形式极易导致全桥毁坏，也发现有少量砂土液化。1.3.1.2圬工拱桥的震害圬工拱桥的震损率明显高于钢筋混凝土拱桥，圬工拱桥在地震中表现具有一定的极端性。拱桥的震害形式主要有主拱震害和拱上建筑震害两种。(1)主拱震害的主要形式有全桥垮塌、拱圈开裂、条石砌缝开裂等(图5)。图5(2)拱桥的拱上建筑震害是较为常见的震害形式。对于实腹式拱桥，主要震害形式有:侧墙跨塌、开裂、侧墙与主拱砌缝破坏、导致侧墙外移或侧倾。对于空腹式拱桥主要震害现象有:外挑人行道板破坏、掉落、拱上横墙开裂、腹拱拱脚开裂等(图6)。1.3.2地震间接破坏峡谷山区发生地震后，次生地质灾害如地震诱发的落石、滑坡及泥石流等对桥梁也会产生巨大的破坏。地震引起的次生地质灾害具有重复性、群发性特点，已形成灾害链，地质灾害高发区与地震中的高烈度区位置基本相同，走向完全一致，山洪泥石流与地震密切相关。虽然汶川地震已过去10年，但其影响却仍未停止，分别在2010年8月、2011年7月、2013年7月爆发了3次大型区域性的山洪泥石流地质灾害，2017年6月茂县叠溪大规模高位滑坡，规模较小的崩塌、落石、河道淤积等地质灾害随处可见，如图7所示。每逢强降雨小规模的泥石流也是频繁发生，最近如2018年7月茂县、汶川县、红原、阿坝县等多地泥石流造成道路、桥梁损毁，交通中断，给地震中幸存的桥梁和重建的桥梁带来新的损伤。

　　2四川山区桥梁地震灾害防御对策与措施

　　2.1桥位选择及总体设计思路

　　在选择桥位时应遵循“大避小治”的原则，不能只以经济性作为单一指标。高山峡谷区段，选择合适的桥位十分重要，对于潜在的大型危险体，尽量绕避远离，对于困难路段尽可能用隧道穿越，减少桥梁直接暴露在地震灾害中的机率，是减少桥梁病害的最好保证。总体设计时要尽量降低桥面标高，减少地震破坏。对于为地震烈度8度及以上地区、联数为4联及以上长桥，宜每隔2～3联设置一个抗震限位墩，同时分联时尽量使全桥各墩的地震内力均衡，充分发挥各墩抗震效能，是梁式桥桥墩抗震设计的基本原则。

　　2.2桥梁选型

　　桥梁应选择中、小跨径桥梁，同时不用斜交梁桥。中等跨径混凝土梁桥，脆性破坏危害严重、结构自重大、地震响应高、结构体系抗震稳定性差。可以采用中小跨径钢桥、钢-混组合桥、波腹钢腹板桥梁等。如雅西高速干海子大桥和在建汶马高速克枯大桥采用钢管混凝土桁梁组合桥，质量较轻、施工方便、抗震性能好、经济效益较高(图8)。

　　2.3合理选择桥墩形式

　　已建成的众多高墩大跨桥梁中，墩身型式常采用钢筋混凝土箱型桥墩，该种桥墩施工中易出现开裂，在高烈度条件下，因自重大使得地震力大，导致下部结构工程规模大，而抗震性能又差，是不太合理的形式。引用高强材料、开发新结构、减轻自重、减少地震相应、简化施工工艺、增加施工安全、降低工程造价。由此我院研发了“钢管混凝土组合桥墩”新结构形式。在跨度200m、墩高达182.5m的腊八斤大桥(图9)和墩高156m的黑石沟大桥成功使用。采用框架-剪力墙构造的设计思想，利用高强材料减小截面尺寸、减轻自重、减小地震相应，同时利用钢管混凝土高延性提高抗震能力。雅西高速干海子大桥桥墩采用钢管混凝土格构式结构(图8)，减小地震荷载。

　　2.4抗震设防措施

　　在高烈度地震区加强抗震设防构造设计，特别是防落梁措施，加大盖梁尺寸、设置挡块、防落链等。较大的纵桥向梁体移位极易造成落梁，而横桥向梁体移位可能会致使挡块破坏和极端条件下的落梁。针对不同梁体移位方向主要采取措施:①增加盖梁顶面纵、横向有效宽度，达到增加支承长度的效果;②采用专门的纵向防落链装置，将其作为纵桥向防落梁的最后防线。③重视挡块设计，并优化其构造(图10)。

　　2.5减隔震技术应用

　　减隔震技术主要是采用减隔震装置如隔震减震支座、耗能型装置、隔震橡胶垫块、阻尼器等使地震引起的变形和地震能量的耗散主要集中减隔震装置上，从而避免主体结构发生过大的地震损伤。对于较大墩高差异的山区桥梁可采用不同高度的橡胶支座调节各桥墩刚度，以有效分散地震作用。雅康高速兴康特大桥创新的设计是采用以防屈曲钢支撑为主要构件的铰接式耗能型中央扣，以低强度钢为芯的防屈曲支撑有如此丰满的滞回曲线，起到了强震下耗能的作用，同时还创新采用了索塔波形钢腹板钢混组合横梁，克服了混凝土横梁和钢横梁在抗震方面存在的不足，充分体现出强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的抗震设计理念。引桥采用了高阻尼隔震橡胶支座，同时联与联之间设置了阻尼器。九绵高速蜈蚣口特大桥、平武涪江特大桥均设计了拉索减震支座。拉索减震支座具有竖向承载能力大、梁端转动灵活、水平滑移能力强的优点;可有效限制墩梁相对位移，最大程度避免地震中落梁现象的发生，并能在地震后可靠复位;在桥梁结构遭遇地震作用时，支座抗剪销钉剪断，结构体系转变为减隔震体系，能有效释放地震能量，减小地震对下部结构的不利影响(图11)。

　　3结束语

　　四川山区桥梁建设，面临地震灾害的直接和间接破坏，工程勘察设计阶段，应针对可能出现的灾害风险进行深入研究和评价，正确指导桥位和桥型选择，避免或减少灾害的发生。同时采用新型有效的抗震装置，提高桥梁防震能力，选择适合于山区的桥梁类型及施工工艺，实现桥梁“安全、经济、生态、便捷”。

　　参考文献

　　[1]庄卫林，刘振宇，蒋劲松.汶川大地震公路桥梁震害分析及对策[J].岩石力学与工程学报，2009，28(7):1377-1387

　　[2]李亚东，强士中.震后灾区桥梁初步考察与评估[J].桥梁建设，2009(5):73-78.

　　[3]范立础，李建中.汶川桥梁震害分析与抗震设计对策[J].公路，2009(5):122-128.

　　作者：卢小锋 牟廷敏 刘振宇 单位：四川省公路规划勘察设计研究院有限公司

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