盧小鋒,牟廷敏,劉振宇

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041)

1 四川山區(qū)橋梁建設(shè)面臨的地震問(wèn)題

1.1 概述

四川山區(qū)處在特殊的地理位置，位于盆地向青藏高原的過(guò)渡地帶，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、地殼活動(dòng)頻繁，受三大活動(dòng)斷裂帶影響，地震烈度高、強(qiáng)震頻繁，次生災(zāi)害影響深遠(yuǎn)。近年來(lái)四川境內(nèi)發(fā)生震級(jí)高、破壞嚴(yán)重的三次地震分別為“5·12”汶川地震、“4·20”蘆山地震、“8·8”九寨溝地震，三次地震情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 四川近來(lái)發(fā)生特大地震統(tǒng)計(jì)表

1.2 三次大地震中橋梁整體震害情況

1.2.1 破壞等級(jí)分級(jí)

為準(zhǔn)確分析各橋梁的受損程度，對(duì)橋梁災(zāi)害做出客觀評(píng)價(jià)，需要對(duì)橋梁的受損程度進(jìn)行等級(jí)劃分，基于災(zāi)后橋梁使用性能，將破壞等級(jí)分為A、B、C、D共4級(jí)，其中：

A級(jí)——輕微破壞或無(wú)破壞：搶通階段正常通行，災(zāi)后不需維修或經(jīng)少量維修即可滿足正常使用要求。

B級(jí)——中等破壞：搶通階段無(wú)需處置可滿足應(yīng)急通行需求，災(zāi)后經(jīng)修復(fù)可滿足正常使用要求。

C級(jí)——嚴(yán)重破壞：搶通階段須經(jīng)過(guò)處置后方可滿足應(yīng)急通行需求，災(zāi)后須對(duì)其進(jìn)行加固后才能滿足正常使用要求。

D級(jí)——完全損毀或失效：搶通保通階段喪失通行功能，震后需對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行更換，如無(wú)修復(fù)必要，需進(jìn)行重建。

1.2.2 三次地震中橋梁破壞情況統(tǒng)計(jì)

汶川地震中調(diào)查國(guó)省干線橋梁2 154座，橋型有簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)和拱橋，蘆山地震后共調(diào)查橋梁148座，九寨溝地震后共調(diào)查橋梁95座，橋型有簡(jiǎn)支梁(板)、連續(xù)梁和拱橋(表2)。

表2 破壞情況統(tǒng)計(jì)

1.3 地震中橋梁震害特點(diǎn)

1.3.1 地震直接破壞

1.3.1.1 梁式體系橋梁的震害

通過(guò)對(duì)四川近年來(lái)重大地震中破壞橋梁的震害情況統(tǒng)計(jì)分析可知，梁式體系橋梁最為主要的震害表現(xiàn)為：

(1)主梁位移，并導(dǎo)致支承系統(tǒng)、橋面系、伸縮縫等破壞。當(dāng)主梁位移量過(guò)大，主梁出現(xiàn)不穩(wěn)定支承甚至發(fā)生落梁時(shí)，橋梁將失去全部承載能力，屬毀壞性震害(圖1、圖2)。

圖1 地震引起的梁體移位

圖2 地震引起的落梁

(2)橋墩破壞，此破壞形式屬于嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性震害，常見(jiàn)的橋墩震害有開(kāi)裂、傾斜、塑性鉸、壓潰、剪切及傾覆等，出現(xiàn)嚴(yán)重橋墩破壞的橋梁，可能導(dǎo)致全橋的倒塌(圖3、圖4)。

圖3 橋墩壓潰(固定墩)

圖4 橋墩破壞引起的橋梁垮塌

(3)基礎(chǔ)震害：地基震害表現(xiàn)形式主要有地基開(kāi)裂、地表滑移變位等，此破壞形式極易導(dǎo)致全橋毀壞，也發(fā)現(xiàn)有少量砂土液化。

1.3.1.2 圬工拱橋的震害

圬工拱橋的震損率明顯高于鋼筋混凝土拱橋，圬工拱橋在地震中表現(xiàn)具有一定的極端性。拱橋的震害形式主要有主拱震害和拱上建筑震害兩種。

(1)主拱震害的主要形式有全橋垮塌、拱圈開(kāi)裂、條石砌縫開(kāi)裂等(圖5)。

圖5 主拱震害

(2)拱橋的拱上建筑震害是較為常見(jiàn)的震害形式。對(duì)于實(shí)腹式拱橋，主要震害形式有：側(cè)墻跨塌、開(kāi)裂、側(cè)墻與主拱砌縫破壞、導(dǎo)致側(cè)墻外移或側(cè)傾。對(duì)于空腹式拱橋主要震害現(xiàn)象有：外挑人行道板破壞、掉落、拱上橫墻開(kāi)裂、腹拱拱腳開(kāi)裂等(圖6)。

圖6 拱上建筑震害

1.3.2 地震間接破壞

峽谷山區(qū)發(fā)生地震后，次生地質(zhì)災(zāi)害如地震誘發(fā)的落石、滑坡及泥石流等對(duì)橋梁也會(huì)產(chǎn)生巨大的破壞。地震引起的次生地質(zhì)災(zāi)害具有重復(fù)性、群發(fā)性特點(diǎn)，已形成災(zāi)害鏈，地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)與地震中的高烈度區(qū)位置基本相同，走向完全一致，山洪泥石流與地震密切相關(guān)。

雖然汶川地震已過(guò)去10年，但其影響卻仍未停止，分別在2010年8月、2011年7月、2013年7月爆發(fā)了3次大型區(qū)域性的山洪泥石流地質(zhì)災(zāi)害，2017年6月茂縣疊溪大規(guī)模高位滑坡，規(guī)模較小的崩塌、落石、河道淤積等地質(zhì)災(zāi)害隨處可見(jiàn)，如圖7所示。每逢強(qiáng)降雨小規(guī)模的泥石流也是頻繁發(fā)生，最近如2018年7月茂縣、汶川縣、紅原、阿壩縣等多地泥石流造成道路、橋梁損毀，交通中斷，給地震中幸存的橋梁和重建的橋梁帶來(lái)新的損傷。

圖7 地震引起的次生災(zāi)害

2 四川山區(qū)橋梁地震災(zāi)害防御對(duì)策與措施

2.1 橋位選擇及總體設(shè)計(jì)思路

在選擇橋位時(shí)應(yīng)遵循“大避小治”的原則，不能只以經(jīng)濟(jì)性作為單一指標(biāo)。高山峽谷區(qū)段，選擇合適的橋位十分重要，對(duì)于潛在的大型危險(xiǎn)體，盡量繞避遠(yuǎn)離，對(duì)于困難路段盡可能用隧道穿越，減少橋梁直接暴露在地震災(zāi)害中的機(jī)率，是減少橋梁病害的最好保證。

總體設(shè)計(jì)時(shí)要盡量降低橋面標(biāo)高，減少地震破壞。對(duì)于為地震烈度8度及以上地區(qū)、聯(lián)數(shù)為4聯(lián)及以上長(zhǎng)橋，宜每隔2～3聯(lián)設(shè)置一個(gè)抗震限位墩，同時(shí)分聯(lián)時(shí)盡量使全橋各墩的地震內(nèi)力均衡，充分發(fā)揮各墩抗震效能，是梁式橋橋墩抗震設(shè)計(jì)的基本原則。

2.2 橋梁選型

橋梁應(yīng)選擇中、小跨徑橋梁，同時(shí)不用斜交梁橋。中等跨徑混凝土梁橋，脆性破壞危害嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)自重大、地震響應(yīng)高、結(jié)構(gòu)體系抗震穩(wěn)定性差?？梢圆捎弥行】鐝戒摌颉?混組合橋、波腹鋼腹板橋梁等。如雅西高速干海子大橋和在建汶馬高速克枯大橋采用鋼管混凝土桁梁組合橋，質(zhì)量較輕、施工方便、抗震性能好、經(jīng)濟(jì)效益較高(圖8)。

圖8 鋼管混凝土桁梁組合橋

2.3 合理選擇橋墩形式

已建成的眾多高墩大跨橋梁中，墩身型式常采用鋼筋混凝土箱型橋墩，該種橋墩施工中易出現(xiàn)開(kāi)裂，在高烈度條件下，因自重大使得地震力大，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模大，而抗震性能又差，是不太合理的形式。引用高強(qiáng)材料、開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)、減輕自重、減少地震相應(yīng)、簡(jiǎn)化施工工藝、增加施工安全、降低工程造價(jià)。由此我院研發(fā)了“鋼管混凝土組合橋墩”新結(jié)構(gòu)形式。在跨度200 m、墩高達(dá)182.5 m的臘八斤大橋(圖9)和墩高156 m的黑石溝大橋成功使用。采用框架-剪力墻構(gòu)造的設(shè)計(jì)思想，利用高強(qiáng)材料減小截面尺寸、減輕自重、減小地震相應(yīng)，同時(shí)利用鋼管混凝土高延性提高抗震能力。雅西高速干海子大橋橋墩采用鋼管混凝土格構(gòu)式結(jié)構(gòu)(圖8)，減小地震荷載。

圖9 鋼管混凝土組合橋墩——雅西高速臘八斤大橋

2.4 抗震設(shè)防措施

在高烈度地震區(qū)加強(qiáng)抗震設(shè)防構(gòu)造設(shè)計(jì)，特別是防落梁措施，加大蓋梁尺寸、設(shè)置擋塊、防落鏈等。較大的縱橋向梁體移位極易造成落梁，而橫橋向梁體移位可能會(huì)致使擋塊破壞和極端條件下的落梁。針對(duì)不同梁體移位方向主要采取措施：①增加蓋梁頂面縱、橫向有效寬度，達(dá)到增加支承長(zhǎng)度的效果；②采用專門的縱向防落鏈裝置，將其作為縱橋向防落梁的最后防線。③重視擋塊設(shè)計(jì)，并優(yōu)化其構(gòu)造(圖10)。

圖10 抗震設(shè)防措施

2.5 減隔震技術(shù)應(yīng)用

減隔震技術(shù)主要是采用減隔震裝置如隔震減震支座、耗能型裝置、隔震橡膠墊塊、阻尼器等使地震引起的變形和地震能量的耗散主要集中減隔震裝置上，從而避免主體結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)大的地震損傷。對(duì)于較大墩高差異的山區(qū)橋梁可采用不同高度的橡膠支座調(diào)節(jié)各橋墩剛度，以有效分散地震作用。

雅康高速興康特大橋創(chuàng)新的設(shè)計(jì)是采用以防屈曲鋼支撐為主要構(gòu)件的鉸接式耗能型中央扣，以低強(qiáng)度鋼為芯的防屈曲支撐有如此豐滿的滯回曲線，起到了強(qiáng)震下耗能的作用，同時(shí)還創(chuàng)新采用了索塔波形鋼腹板鋼混組合橫梁，克服了混凝土橫梁和鋼橫梁在抗震方面存在的不足，充分體現(xiàn)出強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)理念。引橋采用了高阻尼隔震橡膠支座，同時(shí)聯(lián)與聯(lián)之間設(shè)置了阻尼器。

九綿高速蜈蚣口特大橋、平武涪江特大橋均設(shè)計(jì)了拉索減震支座。拉索減震支座具有豎向承載能力大、梁端轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、水平滑移能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；可有效限制墩梁相對(duì)位移，最大程度避免地震中落梁現(xiàn)象的發(fā)生，并能在地震后可靠復(fù)位；在橋梁結(jié)構(gòu)遭遇地震作用時(shí)，支座抗剪銷釘剪斷，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變?yōu)闇p隔震體系，能有效釋放地震能量，減小地震對(duì)下部結(jié)構(gòu)的不利影響(圖11)。

圖11 減隔震技術(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

四川山區(qū)橋梁建設(shè)，面臨地震災(zāi)害的直接和間接破壞，工程勘察設(shè)計(jì)階段，應(yīng)針對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入研究和評(píng)價(jià)，正確指導(dǎo)橋位和橋型選擇，避免或減少災(zāi)害的發(fā)生。同時(shí)采用新型有效的抗震裝置，提高橋梁防震能力，選擇適合于山區(qū)的橋梁類型及施工工藝,實(shí)現(xiàn)橋梁“安全、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、便捷”。