高 昕

（福建林業(yè)職業(yè)技術學院，福建 南平 353000）

近幾年，全世界不同范圍內(nèi)強震多發(fā)，地震給人們所造成的生命財產(chǎn)問題也是不可小視的損失。由于簡支梁橋本身的一些結構特點，其具有上部結構質(zhì)量較大的特點，導致其很容易在災害來臨后遭到不同程度的破壞。由此看來，如果想要把簡支梁橋結構設計當中的抗震設計做好是一件非常不容易的事情。就此結合四川汶川的地震災害事件，從這些震害工程當中汲取一些工程實踐當中的經(jīng)驗與教訓，這對于以后的抗震救災當中的簡支梁橋工程的抗震結構設計有一定的研究意義。

1 震害調(diào)查

1.1 震害調(diào)查

1.1.1 落梁

根據(jù)《公路簡支梁橋抗震設計規(guī)范》，鐵路梁端到橋墩的邊緣與蓋梁之間的距離不得小于（70+0.5 L）cm[1](L為跨長)。也有一些實際工程嘗試通過在梁端安裝連接梁裝置或通過工程結構措施如將簡單支座改為連續(xù)系統(tǒng)改造來減少此類地震的破壞。從近年來的工程實踐來看，采取合理的防墜梁措施可以有效減少此類地震破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

1.1.2 支座破壞

承載是簡支梁橋結構當中一個非常重要的連接結構，應具備足夠的平移、旋轉等能力。與其它部件相比較，支座更換的頻率較多，震后維修也更容易損壞到支座，由于更換次數(shù)的頻繁性，這往往就會造成人員對支座的抗震設計不夠重視。在軸承的設計中，有必要盡可能地保證力和活動能力在地震力的作用下不受破壞，并根據(jù)需要盡可能地減少地震力造成的破壞[2]。

1.1.3 橋臺、橋墩損壞

在汶川地震中，攏海上游的奇峰大橋20個橋墩周圍出現(xiàn)了圓形水平連接裂縫，裂縫寬度為1～2 mm，橋墩距基底高度約為2～25 m。壓碎以及剪切破壞在一定程度上都屬于脆性的破壞,調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種損害的橋墩基本都是由于箍筋太薄,箍筋間距太大,造成簡支梁橋的縱向鋼筋發(fā)生屈服現(xiàn)象,且混凝土也易被壓碎,剪切破壞。這也提醒設計師在關注設計橋墩，對橋墩進行抗震加固設計時，應根據(jù)實際情況，設計一個合理的配筋,在一定的范圍內(nèi)適當?shù)脑黾庸拷钪睆絒2]，降低箍筋間距，進而可以很好的提升橋墩的延性性能,可有效的防止地震來臨橋墩發(fā)生脆性破壞。

1.1.4 梁的位移

簡支梁橋如果兩跨梁向同一方向移動，梁體會發(fā)生碰撞而損壞梁體，如果縱向位移過大，梁體會脫離支座，嚴重的梁會倒塌。對于同跨度的多層梁，由于橫向連接結構薄弱，橫向位移往往會破壞連接結構，使其無法共同工作，橫向位移也往往會導致地震塊體的破壞。設計中,除了關注梁體的強度設計，還需要特別注意梁體的縱向以及橫向塊和連接結構和一些其他的細節(jié)設計。例如，可在簡支梁橋的塊與塊之間增加設計，添加木墊塊或阻尼橡膠進而可有效的降低地震所造成的破壞現(xiàn)象。

1.1.5 其他震害

除了上述在地震期間損壞的簡支梁橋結構類型以外，如果出現(xiàn)橋位差,以及梁基土的液化或者梁基土的斷層,就會導致簡支梁橋的結構基礎產(chǎn)生很大的移位現(xiàn)象,進而造成簡支梁橋結構的破壞,甚至更糟糕產(chǎn)生簡支梁橋的崩塌。這種地震災害對于簡支梁橋結構的破壞影響無疑是毀滅性的，且根本沒有方法進行修復，在選擇線路時就需要設計師注意避免這種地質(zhì)災害可能的發(fā)生。在無法避免的情況下，應優(yōu)先考慮結構簡單的鐵路梁橋，采取深基礎、增加樁身配筋等工程措施，盡量減少地震破壞。

1.2 典型震害簡支梁橋分析

1.2.1 典型簡支梁橋的震害破壞

（1）壽江大橋

壽江大橋位于四川盆地亞熱帶濕潤氣候區(qū)的西部地帶，是四川岷江紫坪地區(qū)的交通樞紐，簡支梁橋全貌見圖1。

圖1 壽江大橋全貌Fig.1 Full view of Shoujiang Bridge

在汶川地震當中發(fā)生了嚴重的毀壞，以此次壽江大橋斷裂的直接原因來看，因地震造成的破壞是極為明顯的。

（2）虹口高原大橋

始建于2005年5月，位于都江堰市虹口鄉(xiāng)的高原大橋，大橋整體橫跨白沙河，是陣前虹口鄉(xiāng)的主要交通樞紐，其全貌如下圖2。在汶川地震當中受到了嚴重的破壞，此次地震無疑對簡支梁橋的破壞是致命性的，因地震造成的破壞與震區(qū)的其他大部分的梁橋情況有所不同，場地效應所表現(xiàn)的破壞極為明顯，大橋地基與上部結構因為存在了極為明顯的高度差，導致地震期間虹口高原大橋的整個橋面向右岸整體移位了1.8 m。主要震害有：因地震導致了結構失效，在上盤的擠壓作用下，使得地基產(chǎn)生了壓縮變形，造成兩岸橋臺之間的距離變短，軟體結構發(fā)生了極為明顯的變形作用；同時因A1橋臺形成的裂縫，導致上部結構尾音，使得3#主梁出現(xiàn)落梁，并對3#橋墩施加了猛烈的撞擊力造成墩柱的嚴重破壞，出現(xiàn)歪斜現(xiàn)象。

圖2 高原大橋全貌Fig.2 The complete picture of Plateau Bridge

2 簡支梁橋震害機理分析

2.1 地震的震害機理分析震后簡支梁主要震害及原因分析

損壞的道路簡支梁橋和鐵路簡支梁橋在一定的程度上有所區(qū)別，破壞位點也有區(qū)別的。

2.1.1 上部結構的震害

（1）落梁：連續(xù)梁和鐵路梁落梁

由于簡支梁橋結構是作為特殊的多點線性結構而建的，所以在橋墩的各個點處都具有不盡相同的土質(zhì)，在地震發(fā)生以后，各個點就會受到震動波的影響，導致輸入的地震動有較大的差異，這就會造成梁體位移互不協(xié)調(diào)，且如果簡支梁橋的橋跨部分越長，影響也就越明顯。因為簡支梁橋的上部結構在地震當中發(fā)生了較強的結構位移或者相鄰梁體之間發(fā)生猛烈的撞擊現(xiàn)象，就會致使簡支梁橋的支座、擋塊等限制簡支梁橋的一些裝置結構發(fā)生功能上的失效，從而導致落梁發(fā)生（如圖3、圖4）。

圖3 落梁Fig.3 Falling beam

圖4 垮橋Fig.4 Bridge collapse

（2）梁體移位：支座滑動和梁體滑移

在此次地震中有非常多的簡支梁簡支梁橋體縱、橫向移位或平移，雖然沒有發(fā)生落梁的破壞現(xiàn)象，但是其承載力卻嚴重減少，導致震后根本無法正常通行。圖5所示的古溪溝中橋，因此次的地震作用造成了非常嚴重的橫向位移和縱向位移，雖然殘留的縱向位移較小，但是兩岸橋臺的損壞是非常嚴重的，這種情況說明了主梁與橋臺在地震期間發(fā)生了猛烈的碰撞現(xiàn)象，從而造成了橋臺后傾，臺后填土發(fā)生垮塌，橋頭的臺板呈現(xiàn)懸空的形式。壽江大橋也發(fā)生了明顯的移位現(xiàn)象（如圖6），其上部結構當中的第2跨移位現(xiàn)象最為嚴重，其橫向移動12 cm、縱向移動15 cm，因梁體縱向位移對橋臺兩岸造成了嚴重的沖擊，從而造成橋臺發(fā)生傾斜、破碎、露筋，承載力嚴重降低的現(xiàn)象。

圖5 垮橋Fig.5 Bridge collapse

圖6 壽江大橋支座滑動和梁體滑移Fig.6 Bearing slip and beam slip of Shoujiang Bridge

2.1.2 橋臺震害

（1）臺身開裂

在強大的震動下，倆案橋臺發(fā)生相對移動，各臺之間距離明顯減小，導致兩岸橋臺身被剪壞，喪失承載力。

（2）墩臺破壞：墩柱、節(jié)點和橋臺的破壞

簡支梁橋主梁與橋臺之間產(chǎn)生猛烈的撞擊現(xiàn)象，造成橋臺后面的填土被前墻擠壓破壞，使得臺后的填土塌陷，最后導致橋頭搭板的懸空、坍塌現(xiàn)象（如圖7）。

圖7 白水溪大簡支梁橋與擋塊之間的碰撞導致?lián)鯄K的破壞Fig.7 The collision between the Beam Bridge Bay and the retaining block resulted in the destruction of the retaining block

2.1.3 支座、擋塊等構件震害

支座結構的重要性在于聯(lián)系簡支梁橋上部與下部，在地震期間其功能表現(xiàn)的更加明顯，支座的存在有利于縱向水平力的傳遞以及梁體的自由變形[3]，且在地震期間起到了隔震作用。但是在簡支梁橋設計當中，其也是一項薄弱的環(huán)節(jié)，支座的失效能夠造成梁體的位移、梁體之間的相互碰撞等問題。[4]以此次汶川地震來看，因支座與擋塊的構造不足，在強烈的8級地震的作用下，就造成了梁體發(fā)生嚴重位移或較大變形，從而導致橋身發(fā)生傾斜、脫空等破壞現(xiàn)象（如圖8）。

圖8 白水溪大橋墩柱的破壞Fig.8 Pier column failure of Baishuixi Bridge

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2.2 簡支梁橋的震害機理研究分析

（1）在公路方面的震害重

公路簡支梁橋橋墩、基礎的易碎性以及輸入大地震動參數(shù)的實際情況，共同決定了公路簡支梁橋在地震的作用下會產(chǎn)生較大的危害性。與之相比，橋墩和簡支梁橋基礎的特性造成其抗震性能的加強，再加上實際情況中輸入的小場地地震參數(shù)，因此，簡支梁橋在地震作用下的危害是相對較小的。

（2）地震損害具有明顯的指向性

在地震區(qū)域造成的了大量的道路和簡支梁橋破壞，位于地震災區(qū)的廣元鐵路也沒有逃脫,斷裂帶幾乎平行于大高速公路和鐵路簡支梁橋，在高速公路上損失不是很嚴重,除了部分鐵路簡支梁橋支座損傷的情況下,對其余的部分不是很嚴重,因此,汶川大地震的地震災害具有明顯的方向性。

3 震害防治措施

3.1 構造措施

（1）強化箍筋在抗震中的作用

設計師在設計時,更強調(diào)設計的主要強化,比如箍筋的設計,以及安排直徑間距太大,如在汶川地震中損害的百花橋墩,調(diào)查發(fā)現(xiàn)碼頭配置只有8 mm直徑,HRB 235鋼筋間距20 cm,在汶川地震當中38個橋墩中有24個坍塌。結果表明，箍筋對結構的抗剪性能、縱筋和核心混凝土的約束性能以及結構延性的提高起著重要作用。塑性鉸在這里的使用,橋墩和基礎或連接過渡段與上層建筑可以有效地減少崩塌,剪切和其他脆性破壞,進而提高結構的延性。

（2）在簡支梁橋落梁處加強措施,防止落梁破壞

特別是對鐵路簡支梁橋,為了防止落梁破壞的發(fā)生,除了增加梁的長度支持,結構也可以保證梁連接設備的安裝。從地震塊體等結構的破壞來看，各部分的結構措施有效的發(fā)揮了作用。不過應注意這些裝置以及擋震、砌塊的強度設計，應明確這些結構措施在小、中、大地震作用下的工作狀態(tài)，避免設計與施工的不一致性。不但要防止擋土墻過強對下部結構的損壞，而且要防止擋土墻過弱對梁的作用下降，才能真正起到擋土墻的作用[5]。

3.2 在可研階段選擇合理的橋位和橋型

在可行性研究階段，主要解決簡支梁橋的位置、型式問題。由于當前曲線橋使地震反應變得更加復雜化，所以在簡支梁橋設計時軸線應盡可能直。并且因為鐵路簡支梁橋非常容易就會發(fā)生落梁的現(xiàn)象，因此在鐵路簡支梁橋設計的過程當中，橋面需要連續(xù)，并盡量減少使用伸縮縫、安裝一些防止墜梁的相關裝置、橋跨應盡可能的布置成小跨距，橋臺、橋墩應與橋的軸線垂直。

3.3 在施工圖設計階段，重視抗震構造設計、構造措施和細節(jié)

在施工圖設計階段，主要解決結構計算、設計的問題。這也是設計師必須注意的問題。從汶川地震中受損的簡支梁橋，[5]我們得到以下啟示：

（1）加大上部結構的地震強化力度，因此我們必須加強梁措施，增加可以使用塊的厚度，塊和梁體之間設置的緩沖橡膠墊厚度不少于2.5 cm,最好使用不少于25個Φ二級鋼筋,箍筋使用Φ12次級強化。根據(jù)“小震、中震不壞、大震可壞”的設計原則來確定結構尺寸。

（2）墩身箍筋、樁基等結構建議

使用橋墩樁基鋼筋Φ12次級強化;建議對箍筋進行加密，加密范圍為蓋梁下墩直徑的1倍、承臺上墩直徑的3倍、承臺下樁直徑的5倍。

（3）重視簡支梁橋剛度突變的結構設計

系梁施工時最好與橋墩或樁基一次性澆筑，加強部分簡支梁橋系梁的完整性破壞和施工縫。

4 結論

以汶川地震當中的簡支梁橋為例,分析簡支梁橋的地震破壞現(xiàn)象,根據(jù)簡支梁橋的結構特點,對簡支梁橋抗震概念設計、抗震計算設計和抗震結構設計三個方面進行了分析,提出了鐵路梁橋在設計階段應提倡抗震設計思想的補充點，指出了簡支梁橋抗震模擬計算的準確性和減振隔振控制技術是簡支梁橋抗震設計的未來趨勢，結論如下:

（1）汶川地震對公路橋震害嚴重，簡支梁橋震害輕。針對汶川地震中簡支梁橋損傷具有明顯的方向性，在結構措施中應注意斷層的走向和薄弱部位的加強。山區(qū)簡支梁橋的設計應考慮到地震后災害（山體滑坡和崩塌）對河流和小溪沿岸簡支梁橋的影響。

（2）加強簡支梁橋結構抗震設計。注意橋的軸的方向,與此同時,橋的軸在山里盡可能采取直接避免彎曲,選擇曲線橋,其跨度不應太大,可以連續(xù)橋面沒有簡單的支持,碼頭不適合使用單一列,橋臺不適合平面曲線。重視抗震結構設計。對于連續(xù)梁的下部結構，中央低墩的設計是十分必要的。加強橋墩、樁基箍筋設計、簡支梁橋剛度突變的結構設計應引起足夠的重視。

（3）對重要簡支梁橋進行抗震安全評價，提高大跨簡支梁橋和重要簡支梁橋的抗震設防標準。

（4）注重橋墩及其基礎的延性設計。

（5）改變傳統(tǒng)的“抗震設計”概念，樹立“隔震設計”的理念，對重要、特殊的簡支梁橋更有意義。