四川山區橋梁地震災害及防御措施

盧小鋒,牟廷敏,劉振宇

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川成都 610041)

1 四川山區橋梁建設面臨的地震問題

1.1 概述

四川山區處在特殊的地理位置，位于盆地向青藏高原的過渡地帶，新構造運動強烈、地殼活動頻繁，受三大活動斷裂帶影響，地震烈度高、強震頻繁，次生災害影響深遠。近年來四川境內發生震級高、破壞嚴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，三次地震情況統計見表1。

表1 四川近來發生特大地震統計表

1.2 三次大地震中橋梁整體震害情況

1.2.1 破壞等級分級

為準確分析各橋梁的受損程度，對橋梁災害做出客觀評價，需要對橋梁的受損程度進行等級劃分，基于災后橋梁使用性能，將破壞等級分為A、B、C、D共4級，其中：

A級——輕微破壞或無破壞：搶通階段正常通行，災后不需維修或經少量維修即可滿足正常使用要求。

B級——中等破壞：搶通階段無需處置可滿足應急通行需求，災后經修復可滿足正常使用要求。

C級——嚴重破壞：搶通階段須經過處置后方可滿足應急通行需求，災后須對其進行加固后才能滿足正常使用要求。

D級——完全損毀或失效：搶通保通階段喪失通行功能，震后需對主要構件進行更換，如無修復必要，需進行重建。

1.2.2 三次地震中橋梁破壞情況統計

汶川地震中調查國省干線橋梁2 154座，橋型有簡支梁、連續梁、連續剛構和拱橋，蘆山地震后共調查橋梁148座，九寨溝地震后共調查橋梁95座，橋型有簡支梁(板)、連續梁和拱橋(表2)。

表2 破壞情況統計

1.3 地震中橋梁震害特點

1.3.1 地震直接破壞

1.3.1.1 梁式體系橋梁的震害

通過對四川近年來重大地震中破壞橋梁的震害情況統計分析可知，梁式體系橋梁最為主要的震害表現為：

(1)主梁位移，并導致支承系統、橋面系、伸縮縫等破壞。當主梁位移量過大，主梁出現不穩定支承甚至發生落梁時，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，此破壞形式屬于嚴重的結構性震害，常見的橋墩震害有開裂、傾斜、塑性鉸、壓潰、剪切及傾覆等，出現嚴重橋墩破壞的橋梁，可能導致全橋的倒塌(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)基礎震害：地基震害表現形式主要有地基開裂、地表滑移變位等，此破壞形式極易導致全橋毀壞，也發現有少量砂土液化。

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、拱圈開裂、條石砌縫開裂等(圖5)。

圖5 主拱震害

(2)拱橋的拱上建筑震害是較為常見的震害形式。對于實腹式拱橋，主要震害形式有：側墻跨塌、開裂、側墻與主拱砌縫破壞、導致側墻外移或側傾。對于空腹式拱橋主要震害現象有：外挑人行道板破壞、掉落、拱上橫墻開裂、腹拱拱腳開裂等(圖6)。

圖6 拱上建筑震害

1.3.2 地震間接破壞

峽谷山區發生地震后，次生地質災害如地震誘發的落石、滑坡及泥石流等對橋梁也會產生巨大的破壞。地震引起的次生地質災害具有重復性、群發性特點，已形成災害鏈，地質災害高發區與地震中的高烈度區位置基本相同，走向完全一致，山洪泥石流與地震密切相關。

雖然汶川地震已過去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月爆發了3次大型區域性的山洪泥石流地質災害，2017年6月茂縣疊溪大規模高位滑坡，規模較小的崩塌、落石、河道淤積等地質災害隨處可見，如圖7所示。每逢強降雨小規模的泥石流也是頻繁發生，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新的損傷。

圖7 地震引起的次生災害

2 四川山區橋梁地震災害防御對策與措施

2.1 橋位選擇及總體設計思路

在選擇橋位時應遵循“大避小治”的原則，不能只以經濟性作為單一指標。高山峽谷區段，選擇合適的橋位十分重要，對于潛在的大型危險體，盡量繞避遠離，對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害中的機率，是減少橋梁病害的最好保證。

總體設計時要盡量降低橋面標高，減少地震破壞。對于為地震烈度8度及以上地區、聯數為4聯及以上長橋，宜每隔2～3聯設置一個抗震限位墩，同時分聯時盡量使全橋各墩的地震內力均衡，充分發揮各墩抗震效能，是梁式橋橋墩抗震設計的基本原則。

2.2 橋梁選型

橋梁應選擇中、小跨徑橋梁，同時不用斜交梁橋。中等跨徑混凝土梁橋，脆性破壞危害嚴重、結構自重大、地震響應高、結構體系抗震穩定性差。可以采用中小跨徑鋼橋、鋼-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，質量較輕、施工方便、抗震性能好、經濟效益較高(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開裂，在高烈度條件下，因自重大使得地震力大，導致下部結構工程規模大，而抗震性能又差，是不太合理的形式。引用高強材料、開發新結構、減輕自重、減少地震相應、簡化施工工藝、增加施工安全、降低工程造價。由此我院研發了“鋼管混凝土組合橋墩”新結構形式。在跨度200 m、墩高達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-剪力墻構造的設計思想，利用高強材料減小截面尺寸、減輕自重、減小地震相應，同時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式結構(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 抗震設防措施

在高烈度地震區加強抗震設防構造設計，特別是防落梁措施，加大蓋梁尺寸、設置擋塊、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致使擋塊破壞和極端條件下的落梁。針對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，達到增加支承長度的效果；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重視擋塊設計，并優化其構造(圖10)。

圖10 抗震設防措施

2.5 減隔震技術應用

減隔震技術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，從而避免主體結構發生過大的地震損傷。對于較大墩高差異的山區橋梁可采用不同高度的橡膠支座調節各橋墩剛度，以有效分散地震作用。

雅康高速興康特大橋創新的設計是采用以防屈曲鋼支撐為主要構件的鉸接式耗能型中央扣，以低強度鋼為芯的防屈曲支撐有如此豐滿的滯回曲線，起到了強震下耗能的作用，同時還創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，充分體現出強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件的抗震設計理念。引橋采用了高阻尼隔震橡膠支座，同時聯與聯之間設置了阻尼器。

九綿高速蜈蚣口特大橋、平武涪江特大橋均設計了拉索減震支座。拉索減震支座具有豎向承載能力大、梁端轉動靈活、水平滑移能力強的優點；可有效限制墩梁相對位移，最大程度避免地震中落梁現象的發生，并能在地震后可靠復位；在橋梁結構遭遇地震作用時，支座抗剪銷釘剪斷，結構體系轉變為減隔震體系，能有效釋放地震能量，減小地震對下部結構的不利影響(圖11)。

圖11 減隔震技術

3 結束語

四川山區橋梁建設，面臨地震災害的直接和間接破壞，工程勘察設計階段，應針對可能出現的災害風險進行深入研究和評價，正確指導橋位和橋型選擇，避免或減少災害的發生。同時采用新型有效的抗震裝置，提高橋梁防震能力，選擇適合于山區的橋梁類型及施工工藝,實現橋梁“安全、經濟、生態、便捷”。