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(qū)公路作為促進經(jīng)濟發(fā)展的重要工程，其建設步伐也逐年加快。但由于山區(qū)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(zhì)條件也較為復雜，使得山區(qū)公路橋梁的設計難度相對于平原地區(qū)更大。近年來，我國地震頻發(fā)，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(qū)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(guī)范的要求而遭受破壞，可能直接或間接地引起巨大的經(jīng)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(fā)展至雙水準兩階段設計，抗震設計規(guī)范也從單一簡略過渡到系統(tǒng)詳細，但針對山區(qū)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(qū)公路橋梁的抗震設計方法和經(jīng)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(qū)公路橋梁的建設水平，還可以推動我國橋梁加固技術的發(fā)展，從而加強公路交通網(wǎng)的抗震減災規(guī)劃能力。

2 山區(qū)公路橋梁的震害類型及成因

山區(qū)公路橋梁在遭受地震作用后，可能存在上部結(jié)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(jié)構震害

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

圖1 山區(qū)公路橋梁上部結(jié)構病害

2.2 墩柱震害

山區(qū)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(xiàn)收縮現(xiàn)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(xù)作用而大幅降低。

2.3 基礎震害

如果山區(qū)公路橋梁的地基受到地震能量的影響，砂土可能會出現(xiàn)液化現(xiàn)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(xiàn)為基礎結(jié)構的下沉、水平滑移、斷裂等病害。

3 山區(qū)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(jù)相關橋梁病害調(diào)查結(jié)果可知【2】，很大一部分運營期間的山區(qū)公路橋梁同時出現(xiàn)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(jīng)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(jīng)營綜合考慮。

3.2 橋梁的抗震設計方法

目前，國內(nèi)外的山區(qū)公路橋梁抗震設計方法處于持續(xù)改進和發(fā)展的狀態(tài)，已經(jīng)逐步呈現(xiàn)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(zhuǎn)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(qū)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(nèi)，故一般往往只適用于橋臺、擋土墻等重量較大的剛性結(jié)構；反應譜法是山區(qū)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(jié)構對于地震的動態(tài)響應規(guī)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(jié)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(jié)構在地震波作用下任何時刻的結(jié)構內(nèi)力、變形和加速度等參數(shù)，還能模擬出樁—土間的相互作用，一般能用在跨度大或結(jié)構較為復雜的山區(qū)公路橋梁的抗震設計。

由上可知，在山區(qū)公路橋梁抗震設計過程中，應當根據(jù)橋梁結(jié)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(jié)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(jié)果仍比較粗糙，故一味追求數(shù)值計算的準確是沒有工程意義的。在山區(qū)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(qū)公路橋梁的抗震加固措施

山區(qū)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(jié)構的損傷、破壞在可控范圍內(nèi)。近年來，在進行山區(qū)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(jié)構視為彈性、將橋梁的下部結(jié)構視為延性的抗震體系【4】。山區(qū)公路橋梁的上部結(jié)構出現(xiàn)“落梁”、倒塌、撞擊等病害，主要原因是下部結(jié)構不穩(wěn)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(jié)構的抗震能力。目前，山區(qū)公路橋梁抗震加固主要有2 種方法：（1）提高橋梁結(jié)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(jié)構對地震波的動態(tài)響應（如增加隔震支座），使結(jié)構的強度能滿足抗震要求。鑒于此，筆者提出山區(qū)公路橋梁的抗震加固措施劃分成上部結(jié)構加固措施、下部結(jié)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(qū)公路橋梁抗震加固措施分類

5 結(jié)語

本文對山區(qū)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(jié)論：

1）山區(qū)公路橋梁在地震作用下，可能存在上部結(jié)構震害、墩柱震害、基礎震害等，其中，上部結(jié)構震害可分為結(jié)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(qū)公路橋梁抗震設計方法已經(jīng)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(qū)公路橋梁抗震加固可以從提高橋梁結(jié)構的抗震能力和降低橋梁結(jié)構對地震波的動態(tài)響應2個方面著手，同時筆者提出山區(qū)公路橋梁的抗震加固措施劃分成上部結(jié)構加固措施、下部結(jié)構加固措施、減震隔震加固措施3 類。