王克海，張秉哲，郭威佐

(1. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088； 2. 東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京 210096)

0 引 言

合理的橋梁抗震概念設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施能在一定程度上改善中小跨徑梁橋的抗震性能。汶川地震中部分中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋由于縱向搭接長(zhǎng)度不足發(fā)生了落梁等嚴(yán)重震害[1]，而對(duì)于搭接長(zhǎng)度設(shè)計(jì)合理的部分邊跨橋梁，僅發(fā)生過(guò)量的縱向位移，沒(méi)有發(fā)生落梁震害。

橋梁抗震概念設(shè)計(jì)是結(jié)合震害調(diào)查和工程經(jīng)驗(yàn)而形成的一套抗震設(shè)計(jì)方法[2-3]，對(duì)于中小跨徑梁橋的抗震概念設(shè)計(jì)，王克海等[4]在充分總結(jié)汶川地震、玉樹地震橋梁震害經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了“多道設(shè)防，分級(jí)耗能”“一可三易(損傷部位及損傷程度可控、損傷部位或構(gòu)件易檢、損傷部位或構(gòu)件易修、損壞部位或構(gòu)件易換)”的橋梁抗震理念；中小跨徑梁橋在破壞性地震作用下，支座作為“保險(xiǎn)絲式單元”優(yōu)先損傷，橋墩出現(xiàn)輕微可修復(fù)的損傷，樁基不發(fā)生損傷；此外，為防止落梁，縱向可適當(dāng)加大蓋梁寬度，橫向可設(shè)置雙側(cè)擋塊。Steelman等[5-6]和Filipov等[7-8]發(fā)現(xiàn)支座滑動(dòng)特性是改善橋梁抗震性能的關(guān)鍵因素。抗震概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用，王驍?shù)萚9]、譚杰等[10]和譚曉晶等[11]對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施進(jìn)行了分析和總結(jié)；周乾[12]分析了紫禁城中木結(jié)構(gòu)中浮擱柱底體現(xiàn)類似的抗震概念設(shè)計(jì)。

從震害經(jīng)驗(yàn)看，蓋梁寬度不足、搭接長(zhǎng)度不夠是造成落梁震害的原因[2]。考慮到地震發(fā)生的隨機(jī)性和不確定性，地震低烈度區(qū)也可能發(fā)生大地震甚至特大地震，因此中國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于構(gòu)造措施要求依舊按照地震烈度進(jìn)行劃分是不合理的[13-14]。已有研究表明，適當(dāng)?shù)目拐饦?gòu)造措施可以大大減輕震害，如合理設(shè)置擋塊等限位裝置間距以及主梁搭接長(zhǎng)度等[15]；Wu等[16]建議擋塊與主梁間距選取1.0倍～2.5倍的橡膠層厚度，劉津成等[17-18]發(fā)現(xiàn)了適當(dāng)?shù)膿鯄K抗震設(shè)計(jì)對(duì)橋梁抗震性能有顯著提升。

1 抗震概念設(shè)計(jì)

在汶川地震中發(fā)現(xiàn)采用板式橡膠支座的梁橋發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的比例遠(yuǎn)低于采用其他支座形式梁橋[2]，壽江大橋(圖1)在地震中發(fā)生了主梁移位等震害，但并未發(fā)生落梁以及橋墩塑性變形，從圖1可以看出，震后在原橋墩位增設(shè)貝雷架進(jìn)行簡(jiǎn)單加固調(diào)整后即可恢復(fù)運(yùn)輸救災(zāi)功能。因此對(duì)于中小跨徑梁橋受到破壞性地震作用時(shí)，應(yīng)將板式橡膠支座作為“保險(xiǎn)絲式單元”優(yōu)先損傷，板式橡膠支座發(fā)生的摩擦滑移能夠有效保護(hù)橋墩和樁基，即犧牲局部保護(hù)整體。在此基礎(chǔ)上，采用“多道設(shè)防、分級(jí)耗能”“一可三易”的抗震設(shè)計(jì)理念進(jìn)行橋梁抗震概念設(shè)計(jì)。圖2中采用一種具有多級(jí)凹槽的墊石作為蓋梁頂部支座放置裝置[19]，當(dāng)采用普通板式橡膠支座或其他橡膠支座時(shí)，在運(yùn)營(yíng)荷載以及小震作用下，第1級(jí)凹槽可防止支座發(fā)生脫位；在中震作用下，支座發(fā)生摩擦滑移時(shí)可滑出第1級(jí)凹槽進(jìn)入第2級(jí)凹槽；在大震作用下，支座可以發(fā)生充分的摩擦滑移，從而滑出第2級(jí)凹槽并有效降低傳遞至橋墩的地震力；在進(jìn)行震后應(yīng)急處置時(shí)，將主梁抬升更換已損傷的支座，能夠?qū)崿F(xiàn)震后交通迅速恢復(fù)。

圖1 壽江大橋震后應(yīng)急措施Fig.1 Post-earthquake Emergency Measures of Shoujiang Bridge

圖2 具有多級(jí)凹槽的墊石構(gòu)造Fig.2 Structure of Cushion Stone with Multi-layer Grooves

2 抗震構(gòu)造措施

對(duì)于采用板式橡膠支座的中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋體系，已有研究和震害調(diào)查表明主梁橫向錯(cuò)動(dòng)、縱向落梁以及橋墩塑性損傷是其主要震害[1]，其中蓋梁寬度不足、搭接長(zhǎng)度不夠是造成落梁震害最主要原因。汶川地震中廟子坪大橋的引橋(圖3)作為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)體系，采用了板式橡膠支座以及一定間距的擋塊等抗震構(gòu)造措施，震后并未發(fā)生全橋的倒塌，僅有第9跨發(fā)生落梁，震后經(jīng)過(guò)一定維修之后可以繼續(xù)使用，而距廟子坪大橋7 km的百花大橋(圖4)在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮主梁冗余搭接長(zhǎng)度等構(gòu)造措施，第5聯(lián)發(fā)生整體垮塌，震后評(píng)估為完全失效。

圖3 汶川地震廟子坪大橋震害Fig.3 Earthquake Damage of Miaoziping Bridge in Wenchuan Earthquake

圖4 汶川地震百花大橋震害Fig.4 Earthquake Damage of Baihua Bridge in Wenchuan Earthquake

2021年發(fā)生的青?，敹?.4級(jí)地震中，野馬灘大橋一號(hào)橋發(fā)生嚴(yán)重落梁[圖5(a)]但橋墩結(jié)構(gòu)基本完好，這可能是由于矮墩剛度較大而導(dǎo)致橋梁整體的地震響應(yīng)也較大，造成主梁發(fā)生了一定程度的碰撞，使其產(chǎn)生了類似多米諾骨牌式的連續(xù)落梁震害，而圖5(b)中主梁雖然發(fā)生一定縱向位移但并未發(fā)生落梁，進(jìn)行主梁復(fù)位后即可恢復(fù)交通。從震害經(jīng)驗(yàn)看，目前的抗震設(shè)計(jì)要求并不能滿足強(qiáng)震動(dòng)下的位移需求，建議適當(dāng)增加蓋梁寬度，以確保支座能夠充分摩擦滑動(dòng)以降低下部結(jié)構(gòu)地震力，同時(shí)能夠控制主梁縱向不落梁?，F(xiàn)階段規(guī)范[14]要求縱向主梁搭接長(zhǎng)度(蓋梁寬度)最小不低于60 cm，建議適當(dāng)增加蓋梁寬度，以降低主梁縱向發(fā)生落梁的概率；同時(shí)建議對(duì)于橋梁抗震設(shè)計(jì)和抗震性能評(píng)價(jià)，應(yīng)統(tǒng)一抗震構(gòu)造措施的設(shè)防要求，根據(jù)橋梁重要性和冗余度進(jìn)行抗震措施的設(shè)計(jì)與設(shè)置。

對(duì)于主梁橫橋向易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的震害情況，建議采用適當(dāng)?shù)目拐饦?gòu)造措施以控制主梁橫向位移，如在蓋梁頂部設(shè)置雙層擋塊[20](圖6)，橫向擋塊被分成兩部分：第1道擋塊靠近主梁側(cè)，與主梁間距約為10 cm，第1道擋塊設(shè)計(jì)強(qiáng)度較低，在輕微地震作用或正常使用荷載作用下起到一定的限位作用，實(shí)現(xiàn)第1道設(shè)防目的；第2道擋塊為外側(cè)擋塊，與第1道擋塊間距約為10 cm，與主梁間距約為20 cm，第2道擋塊強(qiáng)度設(shè)計(jì)較強(qiáng)，確保強(qiáng)地震作用下主梁不發(fā)生過(guò)大位移。在強(qiáng)地震作用下，第1道擋塊發(fā)生破壞并耗散部分地震能量，破壞后蓋梁表面將形成粗糙滑動(dòng)面，主梁滑動(dòng)過(guò)程中持續(xù)耗散多余地震能量，此時(shí)發(fā)揮第2道設(shè)防作用。

圖6 雙層擋塊Fig.6 Double-layer Limit Device

3 橋梁抗震概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施的具體建議

結(jié)合歷次地震震害調(diào)查和思考，提出以下關(guān)于抗震概念設(shè)計(jì)的建議：

(1)梁橋不應(yīng)連續(xù)采用獨(dú)柱墩。對(duì)于多柱式橋墩，宜根據(jù)墩柱的剛度和變形設(shè)置橫系梁。

(2)同一聯(lián)內(nèi)橋墩剛度宜相近，相鄰橋墩剛度比應(yīng)大于0.75，當(dāng)同一聯(lián)內(nèi)橋墩剛度相差較大時(shí)，可調(diào)整橋墩的截面尺寸、配筋和支座設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于連續(xù)梁橋，同一聯(lián)內(nèi)各橋墩的高度相差較大會(huì)導(dǎo)致其抗推剛度分配不均勻，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致剛度較大的橋墩發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致全橋的損毀。

(3)地震作用下，支座應(yīng)設(shè)計(jì)為“保險(xiǎn)絲式單元”?？鐝?0 m以下墩頂采用蓋梁的梁橋宜優(yōu)先采用普通板式橡膠支座，建議采用多級(jí)凹槽的墊石作為蓋梁頂部支座放置裝置。為了發(fā)揮“多道設(shè)防”的抗震概念設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮支座對(duì)橋梁整體抗震性能的影響。

關(guān)于構(gòu)造措施的建議：

(1)將梁橋“防落梁設(shè)計(jì)”引入構(gòu)造措施設(shè)計(jì)中，連續(xù)梁橋和簡(jiǎn)支梁橋縱橋向梁端至橋墩(橋臺(tái))或蓋梁邊緣的最小距離應(yīng)設(shè)計(jì)較大冗余量，建議適當(dāng)增加蓋梁寬度。

(2)建議采用適當(dāng)?shù)目拐饦?gòu)造措施限制主梁橫向位移，如在蓋梁頂部設(shè)置雙層擋塊等措施。

(3)在進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)和抗震評(píng)價(jià)時(shí)，統(tǒng)一橋梁抗震構(gòu)造措施，根據(jù)橋梁的重要性和冗余度進(jìn)行抗震措施的設(shè)置，不應(yīng)再按照烈度(或基本地震動(dòng)參數(shù))劃分橋梁抗震構(gòu)造措施。

4 關(guān)于青?，敹嗟卣鹨榜R灘大橋震害的解釋

圖5和圖7為野馬灘1號(hào)橋和野馬灘2號(hào)橋的震害圖片。野馬灘1號(hào)橋全長(zhǎng)507.4 m，上部結(jié)構(gòu)為25孔20 m長(zhǎng)簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力空心板梁，左幅共計(jì)17跨落梁，右幅共計(jì)18跨落梁。該橋按照A類橋設(shè)計(jì)，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)設(shè)計(jì)采用基本地震動(dòng)峰值加速度為0.20g(g為重力加速度)，E1地震作用(橋梁重要性系數(shù)1.0)的地震動(dòng)峰值加速度為0.20g， E2地震作用(橋梁重要性系數(shù)1.7)的地震動(dòng)峰值加速度為0.34g，瑪多地震后國(guó)家地震局公布的橋址處烈度為Ⅹ度(相應(yīng)地震峰值加速度為0.8g)；野馬灘2號(hào)大橋右幅長(zhǎng)888.12 m，左幅長(zhǎng)907.2 m，均為簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力空心板梁，左幅共7跨梁落。該橋按照A類橋設(shè)計(jì)，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)設(shè)計(jì)采用基本地震動(dòng)峰值加速度0.15g，E1地震作用(橋梁重要性系數(shù)1.0)的地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，E2地震作用(橋梁重要性系數(shù)1.7)的地震動(dòng)峰值加速度為0.255g，瑪多地震后國(guó)家地震局公布的橋址處烈度為Ⅸ度(相應(yīng)地震峰值加速度為0.4g)。綜上，野馬灘1號(hào)、2號(hào)橋?qū)嶋H遭受的地震作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)考慮的地震作用，雖然蓋梁寬度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，但對(duì)于實(shí)際受到的地震作用，蓋梁寬度偏小。

圖7 瑪多地震后的野馬灘2號(hào)橋Fig.7 Yematan No.2 Bridge After Maduo Earthquake

歷次地震常常發(fā)現(xiàn)兩座(或兩跨)幾乎一樣的橋梁(或橋跨)地震響應(yīng)差異可能很大，損傷程度也就差異很大，這次野馬灘橋梁的震害重現(xiàn)了這一現(xiàn)象，具體原因可從地震反應(yīng)譜曲線得到解釋。圖8為El Centro地震波加速度時(shí)程曲線，圖9為其生成的反應(yīng)譜曲線。

圖8 El Centro地震波加速度時(shí)程曲線Fig.8 Acceleration Time History Curve of El Centro Earthquake Wave

圖9 El Centro地震波反應(yīng)譜Fig.9 Response Spectrum of El Centro Earthquake Wave

5 結(jié)語(yǔ)

(1)中小跨徑梁橋抗震概念設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合“多道設(shè)防、分級(jí)耗能”“一可三易(損傷部位及損傷程度可控、損傷部位或構(gòu)件易檢、損傷部位或構(gòu)件易修、損壞部位或構(gòu)件易換)”的抗震設(shè)計(jì)理念，將支座作為“保險(xiǎn)絲式單元”，建議采用多級(jí)凹槽的墊石作為蓋梁頂部支座放置裝置，以更好地發(fā)揮支座隔震耗能作用。

(2)筆者發(fā)現(xiàn)，汶川地震中板式橡膠支座與蓋梁之間的摩擦滑移使得橋墩、樁基受到的地震力大大降低，現(xiàn)行橋梁抗震規(guī)范沒(méi)有考慮這一因素。野馬灘橋如果采用板式橡膠支座并適當(dāng)加大蓋梁寬度，應(yīng)該可以避免落梁的發(fā)生，橋墩的震害也會(huì)降低。因此建議，對(duì)于40 m以下跨度梁橋，墩頂采用蓋梁且橋墩高度小于20 m時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用板式橡膠支座，同時(shí)適當(dāng)增加蓋梁寬度。

(3)建議將梁橋“防落梁設(shè)計(jì)”引入構(gòu)造措施設(shè)計(jì)中，可采用在蓋梁頂部設(shè)置橫向雙層擋塊以及適量增加縱向搭接長(zhǎng)度的抗震構(gòu)造措施，有效控制主梁位移，避免發(fā)生落梁；建議在進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)和抗震評(píng)價(jià)時(shí)，統(tǒng)一抗震構(gòu)造措施，不應(yīng)再按照烈度(或基本地震動(dòng)參數(shù))劃分橋梁抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)。

(4)對(duì)于受到相同地震作用的兩座結(jié)構(gòu)形式相似的橋梁，由于橋梁基本周期的微小差異導(dǎo)致其反應(yīng)譜頻譜成分不同，可能導(dǎo)致兩橋發(fā)生完全不同的震害。