桥梁抗震的研究分析

桥梁抗震的研究分析

陈浩燃

武汉恒顺通勘察设计有限公司  430000

摘要：本文一开始阐述了桥梁倒塌而导致的严重后果，详细地介绍了桥梁震害的几种主要形式和相应的引起桥梁震害的原因，也提出了一些桥梁抗震的处治措施和设计原则，希望能对我国的从事有关工作的工作人员和研究人员提供一点参考的价值。

关键词：桥梁; 震害形式;抗震设计及措施

1  引  言

我国是一个地震多发的地区, 每一次的地震对我国的经济及各方面的发展都是毁灭性的打击。在现在的时代,差不多每隔几年就会出现一次特大地震,带给人民以深重的灾难。就桥梁而言，它是震后救援工作中的一个重要环节, 在紧急救援,物质运输和灾后进行重建这几方面都扮演着极其重要的角色。桥梁若因受到地震作用而倒塌,就会造成交通中断,从而使救灾工作受阻,就会浪费了救援的黄金时间,从而带来不可想象的恶果。如何保证桥梁在震后仍能良好工作,这对相关的研究人员和建造者来说就是一份严峻的考验。

然而,桥梁抗震设计是如何一步步发展成熟的,其实,在地震后,人们总会发现大量倒塌的各种建筑。其中,对桥梁结构的破坏尤为常见。从桥梁在震后被破坏的诸多现象中,研究人员常常可以发现设计或施工中的一些不足。通过对于以往大地震对桥梁的损害展开调查和研究,是桥梁抗震设计发展日益成熟的的重要原因。

而今,抗震理论发展的越来越成熟,人们对桥梁防震,减震的认识也越来越深刻, 而本文通过对桥梁的震害形式、其震害原因和相关的抗震措施进行介绍,希望对相关的施工人员和工作者有一点帮助。

2桥梁的震害形式

2.1 上部结构破坏

桥梁上部结构的破坏，按其原因可分为：

（1）上部结构本身的震害

（2）上部结构的位移震害（落梁震害）

（3）上部结构碰撞的震害

在地震中上部结构的位移震害是最为普遍的。而上部结构的位移震害一般分为3种情况：横向、纵向及扭转位移。最容易位移的地方就是伸缩缝，当梁的位移过大，下部支承就会无法起到支撑的作用，从而导致落梁震害，后果不堪设想。据调查,在汶川地震中,最为普遍的震害就是位移震害[1]。而在其结构的碰撞中类型中,主要有:

(1)上部结构与桥台之间的碰撞

(2)相邻桥梁间的碰撞

(3)相邻跨上部结构间的碰撞

2.2 支座失效

支座在桥梁抗震中是很脆弱的一个地方,支座的失效在地震中都是较为普遍的。而支座失效的形式主要表现有:

(1)支座本身构造上的破坏

(2)支座锚固螺栓拨出剪断

(3)活动支座脱落

由于地震作用而导致的梁体以为一旦超过支座的所能支撑的范围,支座就无法发挥其作用。而一旦支座无法支撑上部的梁体，就会导致其滑脱，甚至是脱离整个结构而掉落。一旦梁体在掉落过程中碰到墩柱，则会导致一系列的破坏，后果十分严重。在1975年的海城地震和1976年的唐山地震[2]中, 有很多桥梁就是因支座失效,而引起落梁现象并最终导致桥梁倒塌的。

支座失效主要是梁与梁发生的相对位移大于其工作范围。而在地震作用下桥梁相邻的梁体，其相对位移是由地震能量的大小而定的,故支座的失效有时是人为难以控制的。如何避免因支座失效而导致落梁,这是非常需要考虑的。一般的施工措施就是简支相邻的梁间处安装约束装置，防止其产生过大位移和支座的工作面宽度必须满足一定的尺寸[3]。

2.3 下部结构破坏

桥墩和桥台的破坏一般就是下部结构的主要破坏。 如果墩柱和墩台没有能力承受来自自身以及上部结构的能量,就会被破坏[4]。而由于墩柱的破坏, 就会无法支撑上部结构，导致严重的后果。使墩柱被破坏的内因一般包括为：

（1）设计抗弯强度不足

（2）设计抗剪强度不足

（3）构造缺陷。

21世纪后建造的桥梁的墩柱一般使用的是钢筋混凝土材料，主要有剪切和弯曲破坏。

在历次的大地震中,墩柱破坏中都有发现弯曲破坏的案例。而墩柱容易破坏的主要原因是箍筋数量不足, 从而导致的墩柱的延性不能满足要求，在地震作用下就会被破坏。在1995年发生的日本阪神地震中[5],墩柱产生弯曲破坏的现象就有很多,大部分就是由于箍筋数量不够而导致的,我们应当从中认真总结，吸取教训，以免犯下巨大的错误。

墩柱的另一类常见破坏就是剪切破坏。发生在日本的阪神地震就是其中的突出典型。高架桥的墩柱大部分都被剪断,甚至有几百米的梁发生了严重的倒塌。在震后经过相关人员的模拟分析,其主要原因在地震时纵向钢筋强度较弱,导致过早的被切断,还有就是箍筋数量的不足[6]，导致其没有足够的约束力进行约束，我们应该从中吸取教训。

其实桥台的破坏不是很常见。小部分原因是由于地基丧失了其承载的能力比如砂土液化等，从而导致发生滑移，而大部分的震害则是由于桥自身结构的碰撞所导致的破坏[7]。

2.4 基础破坏

桥梁基础破坏是国内外许多地震最为常见的破坏现象。通过大量资料表明：桥梁基础破坏的主要原因地是地基失效，比如土体会发生滑移，还有砂土液化等[8]。而地基失效导致的桥梁倒塌，就有很多这样的案列。例如，在1964年的美国阿拉斯加地震

、1968年日本十胜冲地震、1970年新西兰的马丹地震等等中[9]，多数桥梁的破坏均源自于此，都是由于地基失效从而引起桥梁倒塌的。

一旦地基破坏，桥梁结构就会随之破坏，这种破坏是毁灭性的，因此地基的情况在桥梁选址时是 必须要考虑的。比如在桥梁选址时，要避免选择活动断层及其相邻位置，要避开危及结构安全、有可能滑坡甚至崩塌的地段，避开有可能液化的软弱土层地段[10]。

3桥梁抗震设计及措施

3.1 总体设计中应注意的问题

3.1.1桥位选择

选择桥址时，要选择坚硬的地基，一般比较好的有像基岩、坚实的碎石地基还有就是硬粘性地基；为危险地区有不稳定的坡地、极软的粘土、饱和松散粉细砂和人工填土[11]。 跨越断层是孔桥选址的最坏选择，因此不要如此设计。若遇到特殊困难情况，要进行地震安全评价[12]。

3.1.2桥型选择

桥型要根据地形、地质条件、工程规模等多方面的条件进行选择。还要考虑多方面因素，包括先进技术的选择，合理的经济管理，易修复加固的结构体系等。总之，建桥是一个大工程，一个正确合理的桥型是至关重要的。有条件的还可以考虑采用减震新结构[13]。

3.1.3桥孔布置

桥孔一般会选用等跨布置，这样对抗震是非常合理，有用的。不要选择过高的墩柱和大跨径的组合，这样容易被破坏。抗震设计中一般采用重心和自重相对比较低，小、刚度和质量分布较均匀、体形设计相对比较简单的[14]。河谷上的桥梁孔洞跨径和桥下净高如果较小时，在地震发生后很有可能造成泥石流，所以可以就具体的情况做适当的预防加大处理。

。

3.2 桥梁抗震构造措施

3.2.1上部结构抗震措施

落梁现象对桥梁的危害非常大，一大部分桥梁的倒塌就是由其导致的。通过大量的资料和研究所得，要防止或减少落梁这种有害现象，就应该加强其整体性，尽量的减少相邻梁体的相对位移。一般的方法有：可以在梁底部加钢板或双向的约束装置，梁与墩帽需要锚栓连接，这样的措施都可以加强整个上部结构的整体性，减小发生的相对位移。曲梁桥上、下部之间也需采用锚栓连接。而选择的桥梁是多跨简支梁时，可以采用将桥面做成连续的，也可采用先简之后结构连续的构造措施[15]。

3.2.2 支座构件抗震措施

支座处应采用防落梁装置，可以通过加纵，横向挡块来达到要求。在受力不好的墩上还可以通过采用减震支座等。在选用伸缩缝要仔细考虑，要使梁在地震作用下有足够的振动空间，并且伸缩缝支承面有足够的宽度[16]来保证梁的端部一直会作用在其上面。

3.2.3 下部抗震措施

在下部抗震措施中，增强桥墩的延性是最有效的方法之一，因为一般墩柱破坏就是由于其延性不足而导致的。而墩柱的延性与其所配的箍筋间距和数量有直接关系，间距越小其延性就越大，故在满足受力的情况下尽量取小间距。适当的把墩柱的直径扩大一点，这样一来就可以提高墩柱的延性和抗剪的强度，保证其在地震发生时有足够的安全性，不被破坏。在桥墩下部的一定范围内要增加所配置箍筋的数量，提高其抵抗力，也是保证其安全的缘故。

桥台的一般抗震措施的话要加强其胸墙的刚度和整体性，或设置弹性垫块，给予其足够的缓冲空间，从而减弱地震能量[18]。地基的设计应尽量采用的U形、T形或箱形桥台[19]，这样可以增加其整体性，在地震作用时不易倒塌。 

3.2.4 基础抗震措施

    基础抗震措施是至关重要的。基础一旦被破坏，整个结构也就倒了，所以必须要加强基础的整体性和刚度，让其在地震作用时，不会产生较大的不均匀沉降而导致结构坍塌。如果选择的桥址，在其地下有易液化的土层，则需采用深基础，使桩穿过可能液化的土层而埋入密实的土层内[20],这样基础才会更牢固，整个结构也更安全。

4 结论

为防止地震时发生严重的桥梁倒塌事故，相关人员应该在桥梁设计和施工过程中严格遵守桥梁抗震设计准则，落实好减少地震震害的各类措施，保证桥梁的质量安全，确保地震发生后，桥梁仍能够发挥其功能，能确保生命工程线的畅通，从而挽救更多的生命。

参考文献(References)：

[1]   李宏男，肖诗云，霍林生.汶川地震震害调查与启示[N].建筑结构学报.2008.04.（Li Hongnan, Xiao Shiyun, Huo Linsheng. Wenchuan earthquake earthquake damage investigation and enlightenment [N]. Journal of Building Structures. 2008.04.）)

[2]  A Jin，K Aki.Temporal change in code Q before the Tanghan Earthquake of 1976 and the Haicheng Earthquake of 1975[J].Joural of Geophysical Research Atmospheres,1986,

91(B1):665-674)

[3]  徐一卓，马蒿.公路桥梁震害分析及抗震加固方发[J].山西建筑，2010.36（4）：319321.（XU Yi-zhuo, MA Hao.Study on Seismic Damage of Highway Bridges and Anti-seismic Reinforcement [J]. Shanxi Architecture，2010.36（4）：319321.））

[4]  张雪梅.探究路桥设计中抗震设计的重要性[J].路桥工程，2015（25）.9092.（Zhang Xuemei.To explore the importance of seismic design in road and bridge design[J].Road and Bridge Engineering，2015（25）.9092.））

[5]  Y Yasuoka,T lshii,S Tokonami,T lshikawa,Y Narazaki.Radon anomaly related to the 1995 Kobe earthquake in Japan[J].International Congress, 2005,1276:426-427.)

[6]   S Chen，H Qi.Photolithotrophic cultivation of Laminaria japonica gametophyte cells in a silicone tubular membrane-aerated photobioreactor[J]. Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC),2008,93(1):29-38.)

[7]  王振东.砂土地震液化的预测方法[J].国外地质勘探术,1987(1):23-28.( Wang Zhendong.Prediction Methods of Sand Liquefaction [J] .Geotechniques in Geotechnical Engineering,1987(1):23-28.))

[8]   朱海之，王立功，高清武，王登弟.下辽河地区砂土液化形成的震害地质问题[J] . 地震地质,1979,1(2):69-75+100.( Hai - zhi, WANG Li - gong, GAO Qing - wu, WANG Deng - di.Geological damage of sand liquefaction in Xiaoliaohe area [J]. Earthquake Geology,1979,1(2):69-75+100.))

[9]   JM Johnson，K Satake.Source Parameters of the 1957 Aleutian and 1938 Alaskan Earthquakes from Tsunami Waveforms[J]. Springer Netherlands,1995,4:71-84.)

[10]  李伟强，曹光荣.平原湖区、海湾及河网地区输电线路岩土工程勘测应注意的问题[J]. 电力勘测设计,2003(3):31-33.( Li Weiqiang, Cao Guangrong. Al.Problems to be paid attention to in geotechnical engineering survey of transmission lines in plain lake area, bay and river network [J]. Electric Power Survey and Design,2003(3):31-33.))

[11]  王志强.论软土路基的成因及处理方法[J]. 时代报告:学术版,2012(5):232-232.( Wang Zhiqiang. On the causes and treatment of soft soil subgrade [J]. Times Report: Academic Edition,2012(5):232-232.))

[12]成灵歌.需要进行地震安全性评价工作的工程[J]. 河南农业,2003(5):32-32.(Cheng ling ge. The need for seismic safety evaluation of the project [J]. Journal of Henan Agricultural Sciences,2003(5):32-32.))

[13]   E Spinei，A Cede，WH Swartz，J Herman，

GH Mount.The use of NO2 absorption cross section temperature sensitivity to derive NO2 profile temperature and stratospheric-tropospheric column partitioning from visible direct-sun DOAS measurements[J]. Atmospheric Measurement Techniques,2014,7(6):5695-5740.)

[14]   左家强.太中银铁路中宁黄河特大桥桥式方案研究[J]. 铁道工程学报,2013,30(12):36-40.(Zuo Jia qiang. Study on Bridge Schemes of Zhongning Yellow River Bridge [J]. Journal of Railway Engineering Society,2013,30(12):36-40.))

[15]   康小英，高丽，文望青.高速铁路大跨度连续梁拱桥设计[J]. 铁道建筑技术,2009(S1):89-93.( Kang Xiaoying, Gao Li, Wen Wangqing. Long - span continuous beam arch bridge design of high - speed railway [J]. Railway Construction Technology,2009(S1):89-93.))

[16]   李晰.空间变化地震作用下曲线梁桥抗震性能研究[J]. 北京工业大学,2014.( Li Xi. Al.Study on seismic behavior of curved beam bridge under spatial variation earthquake [J]. Beijing industry university,2014.))

[17]   代本明.箍筋约束混凝土桥墩延性与柱支梁桥抗震性能研究[J] . 东南大学,2007.(Dai Ben ming. Study on the ductility of reinforced concrete piers and the seismic performance of column - supported girder bridges [J]. 东南大学,2007.))

[18]   王东升，孙治国，李晓莉，霍燚.汶川大地震曲线梁桥震害及破坏机理分析[J].防灾减灾工程学报,2010,30(5):572-579.( Wang Dongsheng, Sun Zhiguo, Li Xiaoli, Huo Yi. Analysis of earthquake damage and failure mechanism of the Wenchuan earthquake curved beam bridge [J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2010,30(5):572-579.))

[19]   吴国梅，黄耀怡.箱形双梁式公铁两用T形梁架桥机设计[J]. 建设机械技术与管理,2010,23(3):97-103.( Wu Guomei and Huang Yaoyi. Design of box - shaped double - girder bridge girder erection machine [J]. Construction Machinery Technology & Management,2010,23(3):97-103.))

[20]   郑楷.三种深基础的施工应用与研究[J]. 吉林大学,2006.( Zheng Kai. The application and research of three deep foundation [J]. Jilin University,2006.))