山區公路橋梁抗震設計與抗震加固措施研究

尹永杰

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司合肥分公司，合肥 230001）

1 引言

隨著基礎交通設施建設的不斷推進，山區公路作為促進經濟發展的重要工程，其建設步伐也逐年加快。但由于山區公路建設里程一般較長，沿線的地形地貌差異較大、水文地質條件也較為復雜，使得山區公路橋梁的設計難度相對于平原地區更大。近年來，我國地震頻發，如2008 年汶川地震、2010 年玉樹地震、2013 年雅安地震等。與此同時，橋梁作為山區公路的樞紐構造物，如果橋梁因抗震設計方法不正確、抗震加固措施不合理、抗震性能達不到相關抗震設計規范的要求而遭受破壞，可能直接或間接地引起巨大的經濟損失和人員傷亡。研究成果表明【1】，目前我國公路橋梁的抗震設計方法從單水準一階段設計慢慢發展至雙水準兩階段設計，抗震設計規范也從單一簡略過渡到系統詳細，但針對山區公路橋梁的研究較少，研究成果往往也只具有明顯的地域性。因此，研究山區公路橋梁的抗震設計方法和經濟合理的抗震加固技術具有十分重要的意義。這樣不僅可以提高山區公路橋梁的建設水平，還可以推動我國橋梁加固技術的發展，從而加強公路交通網的抗震減災規劃能力。

2 山區公路橋梁的震害類型及成因

山區公路橋梁在遭受地震作用后，可能存在上部結構震害、墩柱震害、基礎震害3 個方面，各種類型病害特點及原因如下。

2.1 上部結構震害

山區公路橋梁的上部結構震害按機理應當分為結構震害和位移震害2 類，其中后者發生頻率更大。位移震害一般是指橋梁的上部結構（主梁結構、橋面、伸縮縫等）出現橫向或縱向位移。此外，如果上部結構產生的位移大于墩柱位移，則可能會引起橋梁結構整體受到嚴重損害，出現主梁破壞、“落梁”等病害，如圖1 所示。

圖1 山區公路橋梁上部結構病害

2.2 墩柱震害

山區公路橋梁的墩柱震害可以劃分為剪力破壞和塑性鉸破壞2 類。主要原因在于：一方面，在反復的地震能量作用下，橋梁墩柱頂部和底部容易出現收縮現象，從而失去其支撐力；另一方面，墩柱的承載力強度往往會隨著地震持續作用而大幅降低。

2.3 基礎震害

如果山區公路橋梁的地基受到地震能量的影響，砂土可能會出現液化現象，會使得地基土的部分或全部承載力喪失而破壞。同時，橋梁的基礎構造物也會受到一定程度的不利影響，這種不利作用主要表現為基礎結構的下沉、水平滑移、斷裂等病害。

3 山區公路橋梁的抗震設計原則和方法

3.1 橋梁的抗震設計原則

根據相關橋梁病害調查結果可知【2】，很大一部分運營期間的山區公路橋梁同時出現橋墩、基礎等構件抗震能力不足的問題。如果對橋梁的支座、橋墩、蓋梁等構件均展開加固措施，會存在費用較大、效率低、耗費時間長等問題，且橋梁構建加固時會直接干擾到橋梁正常運營。鑒于此，筆者提出橋梁抗震設計應當遵循以下2 個原則：（1）應當針對抗震能力較弱的橋梁構件，從增強橋梁抗震能力和減弱橋梁地震反應2 個途徑來制定經濟合理的加固措施；（2）將橋梁局部構件加固方案進行比選，加固措施確定之前應當對橋梁正常使用條件的限制經營綜合考慮。

3.2 橋梁的抗震設計方法

目前，國內外的山區公路橋梁抗震設計方法處于持續改進和發展的狀態，已經逐步呈現出從強度控制設計過渡到位移、延性控制設計到性能和能量控制設計轉變的趨勢【3】，但性能和能量控制設計僅僅是研究階段，在實際橋梁抗震設計過程中應用較少。山區公路橋梁抗震設計常用方法有靜力法、反應譜法、時程分析法等。

靜力法計算較為簡便，但該方法未將橋梁在地震波作用下的變形和動力特性考慮在內，故一般往往只適用于橋臺、擋土墻等重量較大的剛性結構；反應譜法是山區公路橋梁抗震設計中最普遍的方法，該方法可以將橋梁所在場地的地震能量視為反應譜輸入，從而得到橋梁結構對于地震的動態響應規律。但反應譜法未考慮地震的隨機性，計算方法仍然是基于線彈性理論，不能計算出橋梁結構進入塑性屈服之后的應力、變形等變化特征；時程分析法能夠計算出橋梁結構在地震波作用下任何時刻的結構內力、變形和加速度等參數，還能模擬出樁—土間的相互作用，一般能用在跨度大或結構較為復雜的山區公路橋梁的抗震設計。

由上可知，在山區公路橋梁抗震設計過程中，應當根據橋梁結構本身的特點、所處場地等方面綜合考慮，從而確定合適的抗震設計方法。但由于地震波的作用往往具有復雜性、隨機性等，且橋梁結構計算時的假設條件未必與實際相符，這就使得各橋梁抗震設計方法所得到的計算結果仍比較粗糙，故一味追求數值計算的準確是沒有工程意義的。在山區公路橋梁抗震設計過程中，設計人員應重視概念設計，將基于強度控制的設計理念過渡到基于位移、延性控制的設計理念。

4 山區公路橋梁的抗震加固措施

山區公路橋梁采取抗震加固措施目的就是為了避免橋跨倒塌，使橋梁結構的損傷、破壞在可控范圍內。近年來，在進行山區公路橋梁的抗震加固措施設計時，一般是基于將橋梁上部結構視為彈性、將橋梁的下部結構視為延性的抗震體系【4】。山區公路橋梁的上部結構出現“落梁”、倒塌、撞擊等病害，主要原因是下部結構不穩定、各墩柱間的運動相異、相鄰橋段伸縮縫不斷撞擊等，故在確定橋梁進行抗震加固措施時，應當重點關注橋梁下部結構的抗震能力。目前，山區公路橋梁抗震加固主要有2 種方法：（1）提高橋梁結構的抗震能力，使其有足夠的強度抵抗地震波的破壞；（2）降低橋梁結構對地震波的動態響應（如增加隔震支座），使結構的強度能滿足抗震要求。鑒于此，筆者提出山區公路橋梁的抗震加固措施劃分成上部結構加固措施、下部結構加固措施、減震隔震加固措施3 大類，如圖2 所示。

圖2 山區公路橋梁抗震加固措施分類

5 結語

本文對山區公路橋梁常見震害、抗震設計原則、設計方法、抗震加固措施等方面展開了深入的研究，主要得到以下幾個方面的結論：

1）山區公路橋梁在地震作用下，可能存在上部結構震害、墩柱震害、基礎震害等，其中，上部結構震害可分為結構震害和位移震害，墩柱震害可分為剪力破壞和塑性鉸破壞；

2）山區公路橋梁抗震設計方法已經逐步從強度控制設計過渡到位移、延性控制設計，目前抗震設計常用方法有靜力法、反應譜法、時程分析法等；

3）山區公路橋梁抗震加固可以從提高橋梁結構的抗震能力和降低橋梁結構對地震波的動態響應2個方面著手，同時筆者提出山區公路橋梁的抗震加固措施劃分成上部結構加固措施、下部結構加固措施、減震隔震加固措施3 類。