对西部山区公路桥梁抗震设计的思考

李志中

一、西部山区公路现状

进入21世纪，在国际国内经济蓬勃发展、东西部发展区域性失衡的背景下，国家提出西部大开发战略，把实施西部大开发、促进地区协调发展作为一项战略任务。交通基建作为国民经济的重要基础设施，是一个国家经济和社会流通、运转的大动脉及毛细血管，对促进区域间、省市内、县乡村之间的货物、要素、服务、人员自由交易流转、互通有无作用重大，对平衡和带动区域发展意义重大。西部地区在政策、经济的双重驱动下，交通基础设施建设迎来快速发展。川滇青藏等西部地区山峦延绵起伏，沟壑纵横深险，桥梁在公路工程中的占比远高于全国其他地区。同时，由于川滇青藏等西部地区处于青藏高原地震区，青藏高原地震区作为我国最大的一个地震区，辐射范围广泛地震运动频繁，烈度大。青藏高原地震区处于印度洋板块和亚欧板块交界位置，印度洋板块深度挤压欧亚板块导致青藏高远地震区的构造带微小抬升是引发青藏高原地震区频震强震的主要原因。随着不断碰撞，青藏高原向东移动挤压四川盆地，挤压的力量向云南方向分散，随着大陆板块之间的撞击和挤压，致使青藏高原地震区的地壳运动十分活跃，最终在地壳活动应力撞击断裂带的影响下，造就了川滇青藏等这些处于喜马拉雅山和横断山脉附近的省份地震频发。突发的强烈地震使建设成果毁于一旦，引发长期的社会政治、经济问题，并带来难以慰籍的情感创伤。在抗震救灾中，公路交通运输网是抢救人民生命财产和尽快恢复生产、重建家园、减轻次生灾害的重要基础设施。公路桥梁是公路生命线系统工程中的重要组成部分，桥梁由于其特殊的构造和功能，在抵御地震方面较路基和隧道薄弱，在震害影响上较路基和隧道严重，故结合历次地震对桥梁结构的影响，参照行业规范规程，积极总结优化、实事求是探索科学、实用、经济耐久的桥梁抗震设计方法与措施，是保证西部地震频发带山区公路桥梁安全稳久运行的必要举措。

图1-全国四大地震区带分布图

图2-全国32个地震带分布图

图3-中国地震动峰值加速度区划图

二、2008~2022年西部地区桥梁地震震害调查汇总分析

2008年至今，西部地区陆续发生了2008年汶川地震、2010年青海玉树地震、2014年鲁甸地震、2017年九寨沟地震、2021年青海玛多地震、2021年云南漾濞地震等几次震害较大、影响范围较广的地震，对交通基础设施及社会经济发展带来了严重的影响，下面我们以具有详实调查记录的2008年汶川地震、2021年青海玛多地震震后桥梁病害特征为例进行分析，以探寻地震对桥梁的影响机理、影响程度。

表1- 汶川大地震典型桥梁震害统计

G213线渔子溪桥	简支体系桥，圬工实体墩	梁体横桥向严重移位
G213线百花大桥	简支梁和连续梁桥，圆形双柱墩	第5联桥垮塌，其他梁体纵横向严重移位，墩柱大量压溃
G213线蒙子沟中桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	桥墩发生不同程度的倾斜，梁体横移、纵移严重
G213线小黄沟中桥	连续梁桥，圆形独柱墩	梁体严重移位，墩柱有环向裂缝
G213线古溪沟桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	梁体纵、横桥向严重移位
G213线寿江大桥	简支体系桥，矩形独柱墩、双柱式圆形墩	梁体纵桥向严重移位，圆形墩柱环向开裂
G213线白水溪大桥	简支体系桥，矩形独柱墩	梁体横桥向严重移位
都汶公路K26+773顺河大桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	第1、2跨被山体崩塌砸断、掩埋；3#墩左柱、5#墩右柱斜剪破坏
都汶公路K28+637大桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	被山体滑坡整体掩埋
都汶公路一碗水中桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	第 1～4 跨梁体被山体垮方砸断，1#，2#桥墩倒塌，3#，4#桥墩严重倾斜
都汶公路变电站小桥	简支体系桥，实体桥台	梁体被崩塌落石砸断
都汶公路彻底关大桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	第 1～3 跨梁体受山体崩塌而完全倒塌
都汶公路桃关大桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	第 1～3 跨梁体受山体崩塌而完全倒塌
都汶高速公路庙子坪岷江大桥	主桥：连续刚构桥，矩形空心墩;引桥：简支体系桥，双柱式矩形墩	5 号主墩水下部分开裂，梁体出现部分裂缝,第 10 跨引桥 T 梁落梁，部分桥墩墩顶移位、墩底出现裂缝，引桥T梁横向和纵向严重移位
都汶高速公路新房子大桥右幅连续梁桥部分	连续梁桥，双柱式圆形墩	因地基滑移致使墩柱倾斜，最大纵向倾斜度 30‰，最大横向倾斜度 14‰
都汶高速公路映秀顺河桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	全部垮塌
都汶高速公路连接线映秀岷江桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	受山体崩塌冲击、掩埋，梁体平面旋转、移位，第 1 跨被完全掩埋，边板折断
S303线渔子溪1号桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	第 1～4 孔被巨石砸毁掩埋，仅剩后 3 孔，且梁体严重移位
S303线渔子溪2号桥	连续梁桥，双柱式圆形墩	连续梁整体倾覆,桥墩被剪断,桥台被大量巨石掩埋
S303线龙潭电站中桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	第 1 孔发生落梁破坏
彭州小鱼洞桥	4×40 m 桁架拱桥	第 3、4 跨倒塌，第 1、2 跨桁架大量剪断
S105线陈家坝大桥	70 m 箱形拱桥	整体坍塌
S105线南坝大桥	简支体系桥，双柱式圆形墩	落梁破坏
S105线井田坝大桥	2×85 m 箱形拱桥	整体坍塌
G212线白水河大桥	4×90 m 钢筋混凝土箱型拱桥	主拱圈开裂，局部腹拱圈开裂

图 4-汶川大地震G213线百花大桥跨塌

图5-汶川大地震映秀顺河桥穿过中央断裂带，全部倒塌

图6-汶川大地震彻底关大桥梁体纵横向移位、挡块破坏

图7-汶川大地震百花大桥桥墩压溃

图8-汶川大地震系梁开裂及桥墩倾斜、压溃

表2-青海玛多地震典型桥梁震害统计

G0613西丽高速野马滩大桥	25×20m简支桥面连续空心板、圆形双柱墩	高阻尼橡胶支座、四氟乙烯滑板支座	桥台背墙结构破坏、下行线落梁18跨、上行线落梁19跨
G0613西丽高速野马滩2号桥	11{4×20}/9{5×20}简支桥面连续空心板、圆形双柱墩	板式橡胶支座、四氟乙烯滑板支座	桥台背墙结构破坏、上行线未发生落梁、下行线落梁7跨，下行线的联间碰撞损伤及位移显著高于上行线
G0613西丽高速黑河中桥	3×20m简支桥面连续板梁桥、圆形双柱墩	高阻尼橡胶支座、四氟乙烯滑板支座	上下行桥均未发生落梁，结构仅存在较轻微的损伤，通行状态良好
G0613西丽高速吾儿美岗大桥	2{4×20}/3{5×20}简支桥面连续小箱梁、圆形双柱墩	高阻尼橡胶支座、四氟乙烯滑板支座	上下行桥均未发生落梁、部分挡块发生开裂损伤、支座在南北方向上存在一定的残余位移、各墩柱竖直状态完好、桥梁震后可通行状态良好。
雅娘黄河桥	6×20简支桥面连续T梁桥，下部结构为单柱墩	板式橡胶支座、四氟乙烯滑板支座	位于地震的微观震中区，该桥此次地震中未见显著的主梁纵、横向地震响应，桥台支座未见显著移位，支座及墩底有压溃现象，桥台与背墙未见碰撞损伤、桥台挡块基本完好，墩柱挡块未见显著开裂损伤

图9-玛多地震野马滩大桥桥台背墙震坏脱落

图10-玛多地震野马滩大桥主梁震落

图11-玛多地震野马滩大桥部分高阻尼支座锚栓地震剪断

图12-玛多地震野马滩2号大桥伸缩缝碰撞震害

图13-玛多地震野马滩2号大桥板式橡胶支座脱落

图14-玛多地震吾儿美岗大桥挡块开裂

图15-玛多地震吾儿美岗大桥场地液化流动变形

通过对上述两次大地震震后桥梁震害调查情况总结分析，西部山区桥梁在地震作用下的典型震害有：

1、桥梁纵向移位：病害程度从轻到重依次有伸缩缝轻度挤压、梁体轻微移位、背墙开裂、支座滑脱、支座留存残余剪变、支座剪坏、梁体局部落梁、墩底斜剪开裂、背墙震撞破坏、全桥落梁垮塌。

2、桥梁横向移位：病害表征依次有梁体轻微移位、边挡块开裂、支座滑脱、支座留存残余剪变、支座剪坏、边挡块撞坏落梁、系梁破坏、墩底溃裂倒塌。

3、地震导致桥址场地液化基础变位、整桥倾斜。

4、地震次生灾害产生的落石及边坡坍塌撞坏桥墩或推覆梁体。

三、审视既有地震下的桥梁震害、结合当下桥梁设计方法，对西部山区高速抗震设计的总结和思考

以行业规范、基础理论研究为基础，通过对西部地区地形、地震情况的概述，以及西部地区几次震害较大、影响范围较广的地震对桥梁造成的震害梳理，结合笔者从业数年的桥梁设计（川滇地区的瑞孟高速、宁永高速、弥楚高速、丽宁高速、陆寻高速、玉溪机场高速、G219、G353、S209、六兰二级路、澜沧江江西公路等高速及二级公路）经验，在此对西部山区公路桥梁抗震设计提出以下几点思考与建议：

1、对照地震时的加速度反应谱与位移反应谱（图16）分析，可以清楚地反映出延长地震周期情况下加速度、位移与阻尼之间的关系，当结构周期超过一定值以后，地震响应总体上随着周期的增加而减少，同时，在同一周期的地震响应随着结构阻尼的增加而降低。桥梁抗震设计的核心聚焦点就是利用结构地震响应的这种性质，通过合理措施延长结构周期、适当提高阻尼以达到减轻地震对桥梁各关键构件作用效用的目的。

图16-加速度反应谱/位移反应谱

2、桥梁作为附着于桥址场地上的构造物，桥梁抗震设计成功与否的先决条件是根据场地地形、地质等先天条件，结合路线线位平立面，选择与桥址场地地震特性相契合的桥型方案及抗震结构体系，譬如：

（1）大跨拱桥适合于地质较好、场地较为稳定、地震烈度较低的V字形山谷；连续刚构桥适合于墩高较高、地震烈度较高的地区，但主跨不宜跨越断层；预制吊装结构（T梁、空心板、小箱梁）适合于墩高小于70m的桥跨；

（2）跨越断层及断裂带的预制结构桥梁宜采用结构简支桥面连续体系；

（3）位于地震动峰值加速度0.2g及以下地区的高速公路、二三级公路上的常规桥梁，宜按抗震体系类型Ⅰ（墩底塑性铰耗能）进行设计；

（4）位于地震动峰值加速度0.3g及以上地区的高速公路、二三级公路上的常规桥梁，宜按抗震体系类型Ⅱ（减隔震支座或耗能装置耗能）进行设计；

（5）A类桥及高墩大跨桥、关键节点的特殊结构桥梁均应按A类桥对各主要构件进行结构抗震设计。

3、在选择合理的桥型方案及抗震结构体系的基础上，应着眼于各桥质量、阻尼、刚度三因素的空间整体均衡、协调设计，即：

（1）根据地形及墩高进行合理的分联，以确保一联内桥墩高度均衡刚度协调，对上部主梁、桥面系进行构造优化设计最大程度减轻自重。当墩高差异过大时，宜通过墩身尺寸差异化设计、亦或矮墩设置滑动支座进行刚度协调，常规桥一联联长不宜超过120m（预制结构20m跨一联不宜超过5跨，30m跨一联不宜超过4跨，40m跨一联不宜超过3跨），立交区小半径曲线现浇桥宜按3跨一联进行设计。

（2）综合考虑桥址抗震设防烈度、温差幅度、联长等因素，联间伸缩缝选型宜随抗震设防烈度的增加适当偏大选型，以确保强震作用下联间有足够的位移缓冲。

4、在对各桥质量、阻尼、刚度三因素的空间整体均衡、协调设计的基础上，应聚焦于核心抗震耗能部件（支座、桥墩、系梁、桥台背墙、墩台基础、挡块等）的设计。

（1）支座在桥梁抗震设计中起着至关重要的作用，对于位于地震动峰值加速度0.2g及以下地区的高速公路、二三级公路上按抗震体系类型Ⅰ（墩底塑性铰耗能）进行设计的常规桥梁，支座可以选用LNR/GCZY/GYZ等非减隔震支座；对于位于地震动峰值加速度0.3g及以上地区的高速公路、二三级公路上按抗震体系类型Ⅱ（减隔震支座或耗能装置耗能）进行设计的常规桥梁，支座宜选用HDR/LRB等减隔震支座；墩高均衡的现浇梁宜采用质量可控的水平力分散型支座，避免出现制动墩受力集中；墩高差异较大的现浇梁可结合纵坡及墩高综合考虑在高墩上设置盆式固定支座，对应制动墩基础加强设计；对高烈度区大跨现浇梁，宜采用摩擦摆支座。

（2）按抗震体系类型Ⅰ进行设计的桥梁，桥墩作为主要耗能构件，应确保E1地震下强度足够，E2地震下塑性变形（墩底塑性转角、墩顶位移）、耗能能力足够；A类桥及部分高墩大跨桥、关键节点的特殊结构桥、按抗震体系类型Ⅱ进行设计的桥梁E1、E2地震下其桥墩均应具有足够强度，确保其处于弹性范围内。与此同时，盖梁作为承载梁体的主要构件，应确保其宽度满足规范要求并合理富余；位于高烈度区的高墩预制梁桥，由于强震作用下桥墩位移较大，宜设置一定强度的竖向锚筋拉连盖梁与梁体，以避免强震作用下发生落梁垮塌。盖梁、桥墩强度均应严格按能力保护构件进行设计。

（3）系梁、桥台背墙作为损伤耗能构件，不宜过强，以免强震作用下错伤桥墩，也不宜过弱，应确保其强度、刚度合理，E1地震下强度足够,E2强震下结构自损伤耗能。

（4）基础不牢、地动山摇，墩台基础作为桥梁存在的重要构件，对桥梁的长久稳定至关重要，尤其应保证E1/E2地震作用下桥梁各墩台基础竖向单桩承载力、水平抗剪储备强度（能力保护构件）、压弯强度满足规范要求，同时对桥址场地较差的桥梁，应着重考虑地震作用下的沙土液化效应，加强基础设计，以及地震引发的落石、山体垮塌等地震次生灾害的规避与防护。

（5）挡块、墩梁间缓冲垫块作为与支座协同工作、共同抵耗地震的部件，挡块强度应足够，确保E2强震作用下局部损伤但不破坏（桥台横向挡块可破坏），以防落梁；墩梁间隙应结合桥梁平面布梁情况合理（按抗震体系类型Ⅰ进行设计的桥梁其墩梁间隙宜略小于支座设计位移，按抗震体系类型Ⅱ进行设计的桥梁其墩梁间隙宜略大于支座设计位移）设置，确保强震作用下墩梁相对位移耗能空间充足；强震区桥梁可结合计算需求在挡块与梁间设置剪力键，形成多级耗能机制。

一个好的桥梁工程师是地震力的合理疏导者，而不是地震力的围堵者，合理而又实事求是的抗震设计理念是抗震设计的战略核心，“人类对事物的认知有感性认识与理性认识，对桥梁抗震的认知也经历了并正在经历着从感性认识到理性认识的过程。对桥梁抗震而言:原以为不读书 (桥梁工程、结构动力学、地震工程学、随机振动等) 不足以了解桥梁抗震，后来发现如果没有足够的工程经验，是读不懂书 (结构动力学、地震工程学、桥梁抗震等方面书) 的。读书的意义大概就是用经验所得、所感去读书，用读书所得、所感去搞桥梁抗震吧”。在此借用交通部公路科学研究院研究员、博士生导师王克海教授这段侵浸大半生工作学习践行所得的深刻体悟，做为我辈桥梁设计人员的座右铭，以行业规范、基础理论为指导，以工程经验、震害调查分析为数据库素材，积极思考、总结、探索行之有效的抗震设计方法，以求为行业、为社会提供安全经济耐震的桥梁设计精品而毕生求索、躬行奋进。

参考文献及素材

1、《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020）

2、《公路工程抗震规范》（JTG B02—2013）

3、《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）

4、《桥梁抗震》(第三版，叶爱军、管仲国著)

5、《中小跨径公路桥梁抗震设计理念》(王克海著)

6、《桥梁抗震的研究进展及新理念》(王克海著)

7、《关于抗震设计规范与地震动区划图的有关探讨》(王克海著)

8、汶川大地震公路桥梁震害分析及对策（庄卫林，刘振宇，蒋劲松著）

9、野马滩大桥、野马滩2号桥、黑河中桥、吾儿美岗大桥和雅娘黄河桥地震科考纪实（黄勇、张昊宇、汪云龙、管仲国、绽蓓蕾、蔡丽雯、刘炜著）