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摘要：桥梁结构抗震是基于总结和验证灾害基础上发展起来的，人们从过去的灾害中不断总结经验、分析原因、吸取教训，确立有效的抗震设计理念和抗震设防措施，以达到减轻地震损失的目的，推动对桥梁结构抗震研究的发展。
关键词：桥梁结构抗震；震害；延性；抗震措施
1. 了解地震运动
地震产生地震波，地震波可以引起地表3个方向的水平移动和转动，对结构产生动态作用。结构物受到的地震影响主要有两种形式：一种是场地运动引起结构的振动，一种是场地相对位移产生的强制变形。第一种是以惯性力的形式加在结构物上，这种地震惯性力与场地运动特性、结构本身的动力特性（如抗震周期、阻尼）等有关；第二种多发生在长桥梁中，由于各墩台位置、地质条件的不同使支点受到不同的地震引动，支点产生过大的相对变形而影响结构的安全性。
2. 地震对桥梁的影响
地球上的多次地震对桥梁工程产生了巨大的影响，如1976年唐山大地震，1994年美国Northridge地震，1995年日本阪神地震，1999年土耳其Kocaeli地震，2008年汶川大地震，这几次地震震害使桥梁工程遭到严重的破坏。地震中桥梁的损坏、倒塌带来的影响是巨大的，甚至切断了震区的对外交通，造成“孤岛”现象，给震后的救灾工作造成巨大的困难，导致巨大的次生灾害经济损失。所以，桥梁工程抗震技术的研究和分析越来越引起重视。
3. 桥梁震害现象分析
通过对地震灾区震害实例进行调查研究，分析桥梁结构的抗震性能、震害特点及产生原因等，桥梁震害现象总结为以下几种类型：
3.1支座破坏
在震害现象中，支座是常见的受损部件，如日本阪神地震中支座损坏比例达到总调查数的28%。桥梁上构的地震惯性力通过支座传到下构，当传递荷载超过支座的设计强度时，支座发生移动、损伤、破坏，支座的破坏也对其他部位的地震性能产生影响。主要有支座主体破坏、锚固螺栓剪断或拔出、横向限位装置破坏等。如唐山地震中永定河上行桥支座发生锚固螺栓剪断，滦河大桥发生活动支座倾斜、锚固螺栓剪断并弯曲的破坏。
3.2落梁破坏
在地震中梁式桥产生较大的相对移位，使上部结构超出梁端支撑长度，发生落梁破坏。如发生在桥墩之间的地震相对位移过大、梁的支持长度不够、支座破坏、粱间地震碰撞等情况都会引起落梁破坏。顺桥向落梁约占全部落梁数的80%~90%，当发生顺桥向落梁时，梁端撞击桥墩侧壁产生很大的冲击力，对下部结构影响很大。1989年Loma Prieta地震中旧金山-奥克兰海湾大桥发生落梁震害使梁体塌落，主要原因是设计时低估了相邻墩间的相对位移，导致连接螺栓剪断。
3.3墩柱破坏
墩柱是桥梁结构最重要的承重构件，在地震中一旦被破坏，会导致落梁或桥梁整体坍塌。长细比大的柔性墩多为弯曲破坏，表现为：混凝土的开裂、压溃、钢筋裸露与压弯，这种破坏主要是由于约束箍筋配设不足、纵向钢筋搭接或焊接不牢等引起墩体的延性不足；长细比小的粗矮墩多为剪切破坏，表现为：混凝土大裂缝、钢筋切断等，这种破坏主要是由于墩柱剪切强度不足引起。1995年日本阪神地震中，神户室皮尔茨高架桥的18根独柱墩被剪断，造成桥梁整体横向倾倒。
3.4桥台破坏
在地震作用下，桥台填土的纵向土压力增大，主梁与桥台之间冲撞产生较大的被动土压力，使桥台向桥跨方向移动。唐山大地震中出现桥台伴随台后填土整体向河心滑移，造成多座桥台的破坏、倒塌。汶川地震中也出现多起桥台破坏，包括桥台台体开裂、耳背墙开裂、锥坡开裂、台后填料垮塌、搭板下沉等。
3.5地基与基础破坏
主要是由砂土液化、不均匀沉陷和稳定性不够等引起的基础倾覆、下沉、断裂导致的结构物的破坏，或由于上部结构惯性力影响引起的桩基剪切、弯曲破坏。基础破坏是主要震害现象，带有很大的隐蔽性，震后不易发现，经常通过上部结构的震害表现出来。
3.6节点破坏
节点区域处大量钢筋相交，在地震作用中处于复杂又多变的应力状态。常见的有桥墩与盖梁的节点剪切破坏，是由于盖梁、主梁、柱子的主筋锚固不足或者节点横向钢筋含量太小，无法有效传递地震力而发生破坏。比较典型的就是1989年Loma Prieta地震中，大量盖梁与桥墩的节点发生剪切破坏。
3.7其他附属构造的破坏
在地震力影响下，如果附属构造没有一定的限位承受力就容易产生破坏，主要表现为伸缩缝拉断、挡块撞击破坏等。汶川地震中调查了地震烈度Ⅶ~Ⅺ度区域的简支桥梁958座，其中调查挡块4283组，破坏数量720组，占总数的16.8%。
桥梁上部结构由于受到墩台、支座等的隔离作用，在地震中直接受惯性力作用而破坏的实例较少。由于相对位移和地基失效引起的支座破坏、钢筋混凝土墩柱破坏、落梁破坏等是桥梁地震破坏的主要形式。
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4. 桥梁抗震设计理念和方法
地震中桥梁结构物的损坏实例，为桥梁抗震技术研究提供了最有效、最直接的实验依据。随着地震损伤和破坏资料的积累，桥梁抗震设计理念和思路也在发生变化，更趋于科学性，更加完善。
4.1提高结构延性的抗震方法
延性抗震概念是基于对结构物震害现象的观察而提出的。实际震害中观察到，结构强度的不足不一定会导致结构的严重破坏，只要结构的初始强度不因为非弹性变形而加剧，可以基本保持其初始强度，那么该结构在地震中的破坏会很小。若非弹性变形导致结构初始强度急剧降低，则结构会产生严重的地震破坏，甚至倒塌。这种超过弹性阶段的抗震能力就是结构的延性。在1994年美国Northridge地震和1995年日本阪神地震爆发后，各国已认识到结构的延性能力对抗震性能的影响，强调结构总体延性能力已成为一种共识。
4.2基于性能的桥梁抗震理论
在早期阶段，抗震设防是以单一设防水准，基于强度的抗震设计理论。上世纪发生的几次大地震，1989年Loma Prieta地震（M7.0），1994年NorthRidge地震（M6.7），1995年阪神地震（M7.2），虽然是中等震级地震，却造成了极为惨重的经济损失，从而引发了工程界对抗震设防水准、结构安全和经济性之间的合理关系的思考，提出了基于性能的抗震设计思想。基于性能的抗震设计理论就是针对不同的结构设计参数、结构体系、构造措施和减震装置来保障桥梁结构在各级地震水平作用下的抗震性能。
4.3多级抗震设防的思想
多级抗震设防思想正是在基于性能的抗震理论下产生的。目前，中国采用的是两水平抗震设防，引入了两阶段抗震设计的观念。第一阶段的抗震设计采用弹性抗震设计方法，第二阶段采用的是延性抗震设计方法。对不同等级、跨度的桥梁，采用的是 “小震不坏，中震可修，大震不倒”的多级抗震设防目标。另外，能力保护的设计思想也越来越被接受，能力设计思路在于：通过设计在适当位置的塑性铰，并通过仔细的细部构造措施，来确保结构的整体性和防止结构倒塌的发生。
4.4桥梁减隔震方法的应用
桥梁的减隔震设计是提高桥梁抗震能力的有效手段。减隔震装置是通过延长结构的基本周期，避开地震能量集中的范围，从而降低结构的地震力。目前，已经开发出多种减隔震装置，如磨擦摆支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、黏滞阻尼器、型钢阻尼器等。采用减隔震装置的桥梁，在地震作用下应以减隔震装置为主，非弹性变形和耗能宜主要集中于这些装置。珠港澳大桥在建设过程中全程采用减隔震措施，对于非通航桥跨采用橡胶隔震支座和摩擦摆支座，对于通航桥跨采用粘滞液体阻尼器进行减震优化，减少了地震作用下桥塔底部和桥墩底部的内力响应，使桥梁抗震烈度从7度提高到9度，在防震上被称为是“世界最安全的跨海大桥”。
4.5引进新型桥梁的抗震设计方法
由于地震的影响力和桥梁的抗震能力都是未知的，采用提高结构强度和延性来保障结构抗震能力的方法有一定局限性，当地震发生时，桥梁依然受到损害。所以，引进新型桥梁的抗震设计法势在必行。现阶段，在桥梁结构设计中我们开始采用型钢混凝土结构，这种钢混组合梁结构具有承载力强、抗剪能力强、延性强的特点，逐渐被广泛接受。
桥梁抗震设计的确定不单是安全的问题，特别是对于大跨径桥梁或有特殊要求的桥梁，而是包含着设计理念、经济指标和安全等级的平衡、民众的期待、地震的综合防灾机能等许多复杂的因素，因此需要根据风险评估、危机管理等综合地震防灾系统来确立桥梁抗震设计体系。
5. 桥梁抗震设计的要点和措施
地震作用是一种不规则的循环往复荷载，具有很强的随机性，要精确地进行桥梁抗震计算是很困难的，所以，对结构抗震设计来说，“概念设计”比“计算设计”更重要，结构抗震性能的决定因素是良好的概念设计。
5.1在桥梁方案设计阶段，不能仅仅根据功能要求和静力分析就就决定方案的取舍，还应考虑桥梁结构的抗震性能，尽可能选择良好的抗震结构体系。
5.2对于常规中小跨径桥梁，在抗震设防上应遵循“一可三易”的设计理念，即指损伤部位及损伤程度可控，损伤部位易检，损伤构建易修，破坏构件易换。在抗震设计时应遵循“多道设防、分级耗能”的设计原则，抗震防线的三个级别是：支座、最小支承长度、挡块和放落梁装置。支座作为“保险丝式单元”在发生破坏性地震时被优先损坏，桥墩可出现可修复的损伤或损坏，桩基不能损伤。在桥墩上预设塑性铰位置，形成合理的塑性耗能机制，桩基础不允许出现塑性变形和损伤，变形验算及细部构造应符合现行《公路桥梁抗震设计细则》的有关规定。
5.3对于连续桥梁，同一联内各桥墩的高度不同，导致水平地震力在各墩间分配不均衡，严重时刚度大的桥墩发生震害破坏，导致全桥损毁。连续梁桥各桥墩高度宜尽可能接近，宜在刚度较大的墩处设置活动支座或弹性支座，所以连续梁桥的矮墩不宜设置固定支座，宜设置弹性支座。为改善在地震作用时各墩的地震力分配关系，可以在活动支座墩设置抗震销、挡块等抗震措施，在挡块（销）与梁体间预留缝隙，使活动支座既分担部分水平地震力，又不影响梁体在正常条件下的自由伸缩。
5.4对于高墩桥梁，易采用动态时程分析法进行地震反应计算，一般应考虑桩-土-结构的相互作用。高桥墩的屈服破坏可能发生在根部，墩顶产生很大的位移，应对墩底进行非线性分析，地震反应控制截面的位置在墩底、主梁根部和跨中截面。桥墩横系梁影响桥墩内力，影响程度与横系梁的刚度和位置有关，横系梁在地震过程中可以作为耗能构件，对保护墩柱和提高桥梁整体抗震性能有利。对刚构桥的矮墩宜设置支座，降低矮墩的纵向地震力，形成刚构加连续的组合结构体系，应避免只有一个高墩固结其他桥墩设置支座的情况。
5.5对于特大跨径的桥梁，其抗震设计应严格执行两阶段设计，其抗震理念应是多种抗震理念和方法的综合。
结束语：
桥梁工程是一种重要的交通基础设施，其安全性和稳定性关乎我国交通运输业的发展。认识到桥梁抗震的重要性，从震害实例中分析桥梁震害的特点和原因，应用科学、合理的抗震设计理念和方法，做好桥梁主体和细部构造的抗震设计，提升桥梁结构的抗震性能，从而提升我国桥梁工程建设的整体水平。
参考文献：
[1]谢旭，桥梁结构地震相应分析与地震设计，人民交通大学出版社，2006.
[2]王可海，桥梁抗震研究，中国铁道出版社，2007.
[3]庄卫林 陈乐生，汶川地震公路震害分析，人民交通出版社，2013.
[4]JTGB02-2013公路工程抗震规范，2013-12-10发布.
论文作者:刘志宏
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/7/2
标签：桥梁论文; 支座论文; 结构论文; 桥墩论文; 震中论文; 延性论文; 桥台论文; 《防护工程》2019年第2期论文;