橋梁震害分析與抗震加固措施研究

趙子文，梁 春，何才山

(1．中鐵八局集團橋梁工程有限責任公司，四川成都610300;2．成都華鐵國際儲運有限公司，四川成都610300;3．蘭州工業高等專科學校建筑工程系，甘肅蘭州730050)

我國位于世界兩大地震帶——環太平洋地震帶與歐亞地震帶的交匯處，很多地區地震頻繁，存在潛在的震災。2008年發生了30多年來最為嚴重的四川汶川8級強地震，其影響范圍大，震區的公用設施、房屋建筑、橋梁等均遭到巨大破壞，直接損失和間接損失均難以估量。地震雖過去了，但給鐵路工程建設者敲響了警鐘:在此次地震中，鐵路設施雖經受了地震的考驗，相對損失較小，但鐵路橋梁的支座輥軸有不同程度的錯位、墩臺有相對的側傾移位等。本文通過對鐵路橋梁震害產生機理進行深入分析，總結出有效的抗震措施，推進了鐵路橋梁設計理論、設計方法的發展。

1 震害機理分析及破壞形式

1.1 震害機理分析

分析橋梁震害及產生的原因是建立正確的抗震設計方法和采取有效的抗震措施的理論依據。大量的震害分析表明［1～3］，引起橋梁震害的主要因素有四個，如圖1所示。

圖1 橋梁震害因素

圖1中地震強度引發的振動強度超過了抗震設計標準，這是無法預料的;橋梁場地對抗震不利而引起地基失效或地基變形;橋梁結構設計和施工錯誤屬于人為因素;橋梁結構本身抗震能力不足。從結構抗震因素考慮，橋梁震害可分為地基失效引起的破壞和結構強烈振動引起的破壞。

1.1.1 地基失效引起的破壞

強烈的地震發生時，首先是場地和地基破壞，從而產生橋梁損壞并引發其他災害。地震引發地基出現裂縫、滑坡、砂土液化、軟土震陷等，進而喪失穩定性和承載力，促使橋梁結構受到破壞。強烈的地面震動是引發橋梁破壞的最主要原因，同時也是引發其他振動破壞的直接原因。盡量通過選擇場地來避免此類破壞。

1.1.2 結構強烈振動引起的破壞

地震引起橋梁結構的振動，使結構內力和變形大幅度地增加，從而導致結構破壞甚至倒塌。主要原因有兩方面:①結構設計的預期強度遠小于遭遇的地震強度，結構無法抵御地震的破壞強度;②在橋梁結構設計及施工方法上存在缺陷，這是導致結構破壞的內因。由于地震的不確定性和復雜性，并且目前無法準確預測橋址可能發生的地震，因此對橋梁結構設計及施工方法的研究就顯得特別重要。

1.2 震害破壞形式

地震時橋梁的破壞要比涵洞嚴重得多，橋梁震害的破壞形式主要有以下幾種。

(1)橋梁中墩臺基礎沉陷不均，墩臺頂或整個墩身產生橫橋方向位移，均有可能影響列車運行;

(2)墩臺發生移動或傾斜，墩臺身發生剪切或剪切扭轉、折斷等;

(3)梁部結構的一端或全部落入河中，致使橋梁發生破壞。這種破壞的后果是很嚴重的;

(4)基礎下沉、滑移、傾斜、斷裂;橋臺開裂、剪斷;地基土液化，地基承載力降低;

(5)在拱橋中，拱上的局部建筑擠壞，腹拱與立柱聯結處脫落，拱腳移位、開裂;

(6)支座脫落、傾倒，錨固螺栓拔出或剪斷，滾軸脫離，銷釘損壞等。

2 橋梁抗震設防原則及分析方法

2.1 抗震設防原則

橋梁抗震的目標是減輕橋梁工程的地震破壞，在經濟與安全之間進行合理的權衡。GB 50111－2006《鐵路工程抗震設計規范》的多級設防思想，明確了三級抗震設防原則(小震不壞、中震可修、大震不倒)。要求在小震(多遇地震)作用下，結構物不需修理，仍可正常使用;在中震(偶遇地震)作用下，結構物無重大損壞，經修復后仍可繼續使用;在大震(罕遇地震)作用下，結構物可能產生重大破壞，但不致倒塌。一般遵循以下原則:

(1)根據橋梁的重要性確定該結構的設計基準期;

(2)在確保多級設防標準的前提下，結構強度、延性變形等也要進行多級設防的抗震設計;

(3)結合地質、地形條件、震害經驗和工程規模，合理選擇橋梁結構、樁基和墩臺形式;

(4)對于大跨度、高墩橋梁，必要時進行專題抗震分析研究。同時盡量用連續梁跨代替簡支梁跨，以減少伸縮縫的數量;

(5)對橋梁結構抗震設計，在原有結構抗震性能分析的基礎上，從設計角度應能提出更能適應地震作用的抗震結構型式，綜合考慮結構的各相關因素。

2.2 抗震分析方法

由于地震作用的不確定性以及橋梁結構對地震反應的復雜性，橋梁抗震分析方法隨著地震災害的不斷發生經歷了從靜力法到動力法的發展過程［4］。其中主要的分析方法有靜力法、反應譜法、時程分析法及虛擬激勵法等［5］。本文介紹工程常用的靜力法和反應譜法。

早期結構抗震分析主要采用靜力分析法。靜力法假定橋梁結構與地震具有相同的振動，將結構在加速度作用下產生的慣性力視作靜力作用于結構上的抗震計算，把地震加速度看作是結構地震破壞的單一因素，而忽略了結構的動力特性，因而有較大的局限性。由于靜力法概念簡單，計算公式簡明，因而常用于剛度較大的橋梁和擋土結構的抗震計算中。

2.2.2 反應譜法

反應譜法考慮了地面運動和結構的動力特性，同時概念簡單、計算方便，用較少的計算量可獲得結構的最大反應值，在世界各國規范中作為一種基本的分析手段而得到廣泛應用。

單自由度結構的地震振動方程可表示為:

式中:m、c、k分別為結構的質量、阻尼和剛度系數;δ¨g為地震時水平地面運動加速度;δ¨表示為位移向量對時間的兩次偏導;δ為運動方向的位移向量。

將(1)式進一步表示成如下形式:

根據變頻器所帶泵機功率大小并且檢測中間直流回路中的電流、電壓值，并在其中串聯合適的電容，儲存多余的能量，可以提升回路承受過電壓的能力，也可選用較大容量的變頻器應對電網電壓瞬時升高，但是要考慮變頻器所帶泵機的功率，以防造成資金上的浪費。

式中:ωd=為有阻尼圓頻率。

多自由度的地震振動方程可采用有限元法得出其表達式:

式中:［M］、［C］、［K］分別是結構的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;{I}為慣性力指標向量。

若結構的自由度較高，式(4)一般采用振型疊加法求解。由于低階振型比高階振型更能反應地震振動運動，因此只需求解較低階的振型疊加即可反應橋梁結構的地震反應情況。

在多方向地震動力作用下，利用反應譜法計算結構的地震反應時，還涉及到空間組合，即各個方向輸入引起的地震反應組合。目前主要采用組合法有CQC(完全二次結合)和SRSS(平方和開平方)法。通常中小跨度橋梁采用SRSS法組合，大跨度橋梁用CQC法組合。

3 橋梁抗震加固措施

橋梁抗震加固的主要目的在于防止橋梁倒塌，其次是將遭受的破壞和損傷控制在一定的范圍內［6］。地震時鐵路橋梁受到的破壞主要是:橋頭路堤及橋臺背后填土沉陷;橋臺向河心滑移導致橋梁結構損壞;支座位移傾倒、錨栓剪斷等。同時由于橋梁結構系統的頻率只與其結構本身的固有特性有關，如剛度、結構質量分布、組成形式。本文主要從橋梁總體設計與橋梁抗震構造方面考慮，采取相應措施。

3.1 總體設計中考慮的因素

(1)橋位地質條件較好，盡可能避開易液化土層、斷層破碎帶、不穩定的懸崖和易塌陷的地下空洞等地區。通常選擇在巖石層地帶或密實粘土層等地基良好、河岸穩定的地段;

(2)盡量采用較深的樁基或沉井基礎，避免明挖淺基。同時為了防止橋臺向河心滑移，應適當加長橋孔，使橋臺設置在比較穩定的河巖上;

(3)由于支座直接承受梁部縱向地震，且屬于橋梁抗震中的薄弱部位，應根據抗震要求，采取有效措施予以加強;

(4)高墩盡可能采用鋼筋混凝土結構，并按延性設計標準進行設計計算。同時對地震區混凝土橋墩、墩身應設置護面鋼筋［7］;

(5)兩片式分開的鋼筋混凝土梁用螺栓將兩片梁聯結起來，以增強橫向整體性。

3.2 橋梁抗震構造措施

(1)為了減小地震力和橋梁自身結構的影響，橋梁的梁部應采用自重輕、重心低、剛度均勻的結構。同時為了提高橋梁各部件的抗震能力，可采用加強各部件的聯結，如加強支座和其錨螺栓或設置擋塊，對固定支座而采用橡膠結構的橋梁，需設置短擋軌或防移槽鋼;

(2)對于大跨、高墩橋梁，通過加大頂帽順橋方向的尺寸或在梁兩端的橫隔板處，用螺栓聯結起來，以防在順橋方向產生較大的位移;

(3)在高烈度區的橋梁設計中可采用一定的抗震消能裝置，如采用減、隔振支座的橡膠支座，不僅在地震時增加結構的柔性和阻尼以吸收部分震動能，緩和地震時的振動與沖擊，而且具有材料來源充足、結構簡單等優點。橋梁結構上宜采用規則性好的一體化結構體系， 同時力求結構的質量、剛度和幾何尺寸均勻、規則等特性;

(4)震區橋梁設計力求結構簡單，且橋梁結構采用跨度相等。跨度不均勻或墩身剛度不相等極易發生震害，墩臺盡量避免設計成帶孔的，盡量避免有突變部分，以減少應力集中;同時為了避免墩柱承受過大的軸向力，橋跨不宜太長;

(5)連續橋梁宜采用上部構造產生水平地震載荷，并由各個墩臺共同承擔，以免固定支座受力過大。同時連續曲梁的邊數和上部構造之間宜采用錨栓連接，防止邊墩與梁脫離。

4 結束語

雖然目前還沒有精確預測地震的方法，但通過地震對橋梁結構系統破壞規律的分析研究，并結合經濟上的合理性，可以給出橋梁抗震的方案選擇原則。本文通過對橋梁震害的分析，提出了合理的抗震措施，為我國現役橋梁的抗震提供一定的參考和借鑒。

［1］ 李龍安．地震災害對鐵路橋梁的影響及其抗震設計與減隔震控制研究［J］．西南公路，2010(2):12－21

［2］ 葉愛君．橋梁抗震［M］．北京:人民交通出版社，2002:14－18

［3］ 周香平．淺談橋梁的抗震設計與措施［J］．黑龍江交通科技，2010(7):135－136

［4］ 王克海，李茜．橋梁抗震的研究進展［J］．工程力學，2007，24(S2):75－82

［5］ 藺鵬臻，劉世忠．橋梁結構有限元分析［M］．北京:科學出版社，2008:106－120

［6］ 王利輝，杜修力，韓強，等．橋梁抗震加固方法評述［J］．工程抗震與加固改造，2009，31(6):79－82

［7］ 鐵道部第四勘測設計院．鐵路工程設計技術手冊:橋梁墩臺［M］．北京:中國鐵道出版社，1997