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摘要：近年来高速公路向西部山区延伸，西部山区地质条件差、区域地质不稳定、地震频发。合理的桥梁抗震设计，能最大限度的减轻地震灾害及次生灾害，节省建造成本。本文以云南某高速公路桥梁抗震设计为背景，从设计理念、结构体系出发，深入研究各种抗震构造措施的适用性，可供国内同类项目提供经验。
关键词：高地震烈度；减隔震；防落梁；延性设计
0 引言
日本在1996年颁布了日本的抗震设计规范，经历1995年的阪神大地震后，造成了重要的损失，至此日本对结构抗震问题进行了大量研究，特别是减振、耗能机理方面。
美国联邦公路局开展了以系列的桥梁抗震设计规范的修订和研究工作，在抗震理论方面形成了系统的演技报告和技术指南。
我国在2008年汶川大地震后，对桥梁抗震规范进行了较大的修订，并于2008年10月颁布实施了《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008），2014年2月颁布施行了《公路工程抗震规范》（JTG/T B02—2013）。此两本规范在设计思想、防护标准、耗能机理、计算及构造等方面进行了较多的研究和总结，吸取借鉴了国内外研究成果和标准规范，修订、增加的主要内容有：
（1）采用两阶段设防标准，根据桥梁结构等级及地震烈度对抗震验算进行划分，在多遇地震和罕遇地震下确定不同的设防标准；
（2）增加了延性抗震设计、减隔震设计；
（3）细化了抗震计算方法，给出了明确的抗震分析流程图。
此规范结合了我国多年来抗震技术方面的研究成果和实践，同时吸收了日本、欧美等国外的抗震思想。较89版已经得到较好的完善。
1 桥梁主要震害
1.1 上部结构震害
桥梁上部结构的震害，有结构本身强度破坏，位移以及梁体碰撞。
（1）自身震害：主梁由于通过支座与下部结构连接，并且位于振动系统的顶端，一般主梁自身出现结构破坏的几率比较效，主要是钢结构的局部屈曲破坏。
（2）位移震害：上部结构在地震中移位是主要震害，上部结构的质量较大，是惯性力的主要来源，整个结构类似与“头重脚轻”的结构，如果挡块设置不足或间隙过大，就会从支座上脱离，出现落梁的风险。
（3）碰撞震害：对于联长较长的桥梁，在地震中往往出现很大的纵向位移，如果梁体变形缝不够宽，就会发生梁体之间相互碰撞，或者梁体与桥台相互碰撞，造成梁体挤压，出现上部结构破损。
（4）落梁震害：桥梁在地震中的位移和碰撞最严重的后果就是落梁，如果没有足够的限位装置，落梁后还会对桥墩造成撞击，出现联排倒塌的风险。
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图1：主梁位移
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图2：落梁
1.2 支座震害
桥梁支座是结构体系中最薄弱的一环，设计中采用的支座形式多样，同时早期的设计在支座方面考虑不足，调查中支座震害现象很普遍。因此在支座设计时需要充分考虑抗震需求，确保支座的位移量能够满足地震要求，同时也应该加强挡块等构造措施，来分散支座承担的地震力。调查发现支座破坏主要有：支座剪断、脱落、锚栓拔出、移位以及支座结构本身破坏。
支座破坏的同时，往往伴随其他附属结构的破坏，比如支座垫石混凝土压碎，这又进一步的恶化了支座的震害，造成支座倾倒、脱落、移位。支座作为传力系统的一部分，失效后对于超静定体系的病害进一步加重，往往对梁体造成不可修复的损坏。
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图3：支座移位
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图4：支座脱空
1.3 墩柱震害
钢筋混凝土桥墩配置的纵向主筋，外围由箍筋包裹，形成核心混凝土，在地震中常出现弯曲破坏和剪切破坏。弯曲破坏属于延性破坏，在墩顶、底形成塑性铰，在朔性铰区域产生较大的朔性变形，表现为开裂、混凝土压溃、钢筋外鼓屈服，弯曲破坏多在高柔的墩中发生。剪切破坏属于脆性破坏，在墩柱中形成典型的剪切斜裂缝，剪切破坏一般在粗矮的墩中出现。特殊情况下，有些桥墩深埋在土中，地震时出现一种墩柱的基脚破坏。
弯曲破坏：在地震中是常见的破坏形式，主要原因是箍筋配置不足，在朔性铰区出现纵向钢筋接头，造成核心混凝土的约束强度不足，大大降低了朔性铰的延性，也使得整体结构可承载的变形和耗散能量的能力大大降低。
墩柱剪切破坏：墩柱的剪切破坏是由于桥墩承载的剪力太大，导致配置的纵向钢筋不足以抵抗，而出现的破坏。因此对于结构体系应该充分重视，对于矮墩，应采用活动支座或减隔震支座。
墩柱的基脚破坏：这种破坏主要是由于桥墩覆盖土层太厚，地震使得土地位移，产生的巨大能量对桥墩产生推移作用。
框架墩为多次超静定结构，地震中的破坏形式有：盖梁剪切、弯曲破坏，钢筋锚固长度不够引起破坏；墩柱破坏；节点破坏：剪切破坏
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图5：墩顶、墩底剪切破坏
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图6：墩底压溃破坏
2 山区桥梁抗震设计
2.1 项目背景
本项目位于云南省普洱市境内，路线总体走向为东西向，区域内自有地震记载以来，共记有 M≥4.7 历史强震153次，其中4.7～4.9级57次，5.0～5.9 级 62次，6.0～6.9 级 27 次，7.0～7.9 级7次，最大强度7.4级。
根据安评报告，线路自起点至南爬河西南 3400m 处（东经 100.47°，北纬 22.58°）为 0.20g 分区，南爬河西南 3400m 处（东经 100.47°，北纬 22.58°）至独水井东 3550m处（东经 100.109°，22.610°）为 0.30g 分区，独水井东 3550m 处（东经 100.109°，22.610°）至线路终点为 0.40g 分区。
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2.2 抗震设计内容
1）可行性研究阶段
工可阶段应加强桥位和场地比选、桥型和桥跨布置、结构体系选用，整个工可设计贯穿了桥梁抗震概念设计。
（1）桥位场地的选择应作为路线总体方案的重要比选因素，特别高山峡谷地区往往地震后造成的次生灾害比地震本身还要严重。
（2）合理的桥型和桥跨布置，墩高划分，最大联长选择，简支结构还是连续结构。
（3）结构体系选用，理想的桥梁结构应该传力明确，结构简单规则。
（4）抗震策略选择：硬抗、延性设计还是减隔震措施。
2）初步设计阶段
在初步设计阶段应加强抗震计算，进行结构总体分析，确定桥墩、基础钢筋配置，支座体系的选择。
3）施工图设计阶段
施工图阶段重点在于抗震构造措施，细化构造细节。
（1）施工图设计阶段的抗震设防：上部结构要加强防落梁措施，可以采用连梁 装置、防落梁链、适宜的挡块厚度（在挡块与梁体之间设缓冲橡胶垫块）。挡块的厚度应根据计算确定，必要情况下应体现分级设防理念。
（2）连续梁桥墩高不同，应尽量采取措施使得各墩刚度尽量匹配，避免某一个桥墩刚度过大。
（3）墩柱和桩基的钢筋应根据计算确定：采用 HRB400 钢筋、分区段进行加密。
（4）加强墩柱节点设计：如系梁（系梁在抗震中起很大作用）。
2.3 抗震设计策略选择
本项目桥梁抗震设计对策主要有：减小梁体重量、采用减隔震措施、采取可靠的抗震措施等，具体对策如下。
（1）对于各墩墩高相差较大的桥梁，调整各墩墩身的刚度，以减小各墩的刚度差，使地震响应较为平均的分散到各墩。
（2）宜采用铅芯抗震支座。铅芯支座具有较好的耗能作用，在高地震烈度区应优先采用。
（3）结构的周期越长，表明结构越柔，吸收的地震力就会变小，同时位移会增加。因此基于延性设计理念，在满足性能和承载能力的同时，应减小桥墩刚度，降低地震力。
2.4 桥梁减隔震设计
本项目减隔震装置的选择可总结如下：
本项目的桥梁跨径一般在20m～40m之间，基本属于中等规模桥梁，但由于该工程 位于高地震烈度区，结构在设计地震作用下的反应强烈，因此对结构抗震构造措施的要求较高。支座作为桥梁减隔震措施的一部分，其所承受的地震作用力也相对较大，对支座的承载力和位移的要求较高。综合以上各种支座性能并结合该桥梁工程的项目实 际施工状况、安装、运营、后期维护以及成本控制等方面综合考虑，本项目选择采用铅芯橡胶支座。
2.5 桥梁抗震构造措施设计
桥梁结构发生落梁破坏最直接的因素是地震作用下墩-梁或梁-梁的相对位移过大。本项目桥梁抗震设计措施主要有：
（1）根据抗震细则确定帽梁宽度，确保足够的支撑宽度，防止地震作用下大位移落梁。
（2）加强锚栓、挡块验算，确保在罕遇地震下不落梁。
（3）对支座进行改进，构造上防滑，确保小震下支座不滑动、梁体不变位，大震下采用连梁装置、挡块限位。
（4）桥跨布置尽可能取消斜桥，构造上增设锚栓、防落梁限位。
（5）增加高墩的弹塑性分析，必要时通过支座刚度来调整体系刚度，避免某一个墩的刚度过大。
（6）防落梁系统不可孤立，应结合支座、搁置长度、防落链杆及挡块一起协同考虑，综合选用。
（7）桥梁的联长不同，应区分对待。对于较短的桥梁，应加强台背强度，减小落梁破坏。对于多联长桥，必要的时候应设置刚性隔离墩，同时在伸缩缝处应设置防落梁装置。
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图 拉杆式连梁装置
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图 纵向防落梁缓冲链
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图 墩帽上挡块
3 抗震结构计算分析
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根据桥墩及桩基截面配筋图，建立相应的纤维模型。利用 Ucfyber 软件进行截面 M − φ关系数值分析。确保桥墩在E1地震弯矩小于截面的首次屈服弯矩，E2地震弯矩小于截面的等效屈服弯矩。
4 结语
高地震烈度区桥梁抗震设计需要系统考虑，在工可阶段从桥型方案、桥位选择、结构形式都需要慎重必选，在施工图阶段应重视构造设计、加强配筋验算。桥梁的抗震设计是一个系统工程，不可生搬硬套规范条款，概念设计和结构计算同等重要。
参考文献：
[1] 王克海，桥梁抗震研究[M].北京：中国铁道出版社，2007
[2] 庄卫林，刘振宇，蒋劲松.汶川大地震公路桥梁震害分析及对策[J].岩石力学与工程学报，2009，28（7）：1377-1387.