地震灾害对铁路桥梁的影响及其抗震设计与减隔震控制研究.doc

1、交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料 1 地震 灾害 对铁路桥梁 的影响 及其 抗震设计 与减 隔 震控制研究 李龙安 （ 中铁大桥勘测设计院有限公司 教授级高工 ， 湖北 武汉 430050） 摘要 ： 通过汶川大地震的多 座典型桥梁的震害，分析了 此次大地震对 公路 桥梁破坏 重而对铁路桥梁破坏较轻 的机理， 根据铁路桥梁的 结构 特点，从铁路桥梁的抗震概念设计、抗震计算设计、抗震构造设计等三个方面 着手 ， 提出了铁路桥梁 各设计阶段应有主辅之分的抗震设计思想，指出了减轻铁路桥梁震害的有效途径之一是 采用 减 隔 震控制 技术 。 关键词 ： 铁路桥梁 震害； 抗震 设计 ； 减震控制

2、 技术 ； 隔震控制技术； 研 究 1 概述 2008 年 5 月 12 日四川汶川发生 8 级强烈地震， 作为灾后救援的生命线工程 道路桥梁工程遭到全面破坏，使救援部队不能按时到达灾区第一线，给国家、社会和人民的生命财产带来了巨大损失。 此次大地震虽过去了将近两年，但 反思这次特大地震，再一次给我们铁路工程建设者敲响了警钟，铁路 桥梁 工程的安全及抗灾能力，直接关系到人民生命和财产的安全，建设者必须重视，作为建设工程的重要参与者 广大的设计人员更应高度重视。 通过汶川大地震的 多 座典型桥梁的震害， 分析了此次大地震对公路桥梁破坏重而对铁路桥梁破坏较轻的机 理， 根据铁路桥梁的特点，从铁路桥

3、梁的抗震概念设计、抗震计算设计、抗震构造设计等三个方面出发， 提出了铁路桥梁在不同设计阶段的设想：工可研究阶段的抗震设计应以概念设计为主，计算和构造设计为辅；初设阶段的抗震设计应以计算设计为主，构造设计为辅；施工图设计阶段的抗震设计则主要以构造设计为主，计算设计为辅。 指出了减轻铁路桥梁震害的有效途径之一是 采用 减隔震 技术 。 2 汶川大地震的桥梁震害 2.1 公路桥梁的震害 汶川 大 地震中 ， 作为灾后救援的生命线工程 道路桥梁工程遭到全面破坏 。但公路桥梁和铁路桥梁的破坏程度有所不同，破 坏部位也有差别。 公路 桥梁 的 震害主要 是： （ 1）落梁：连续梁和简支梁落梁 桥例：都汶高

4、速庙子坪大桥 落梁的一孔是在伸缩缝的位置 ， 其他几孔 50m 简支 T 梁破坏主要是 挡块被剪切破坏 ， 见图 2-1。 （ 2）拱桥破坏：从破坏现象看，因落梁或者拱腿断裂所致 交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料 2 桥例：彭州小鱼洞大桥的破坏，见图 2-1。 （ 3）移位：支座滑动和梁体滑移 桥例：见图 2-1。 （ 4）碰撞破坏：梁与梁之间、梁与挡块之间的碰撞导致 伸缩逢和挡块的破坏 桥例：见图 2-1。 （ 5）墩台破坏：墩柱、节点和桥台的破坏 桥例：见图 2-1。 图 2-1-1 都汶高速庙子坪大桥 （落梁） 图 2-1-2 都汶高速百花大桥（垮桥） 图 2-1-3 彭州小鱼洞大

5、桥的破坏（垮桥） 图 2-1-4 支座滑动和梁体滑移 图 2-1-5 梁与挡块之间的碰撞导致挡块的破坏 图 2-1-6 墩柱的破坏 图 2-1 公路桥梁 的震害图 交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料 3 2.2 铁 路桥梁的震害 据成都 铁路 局初步统计 , “ 5.12” 汶川大地震， 共有 270 余座 铁路 桥开裂及支座破坏 ,经过临时处理后运行 ,严重影响铁路运营速度。 铁路桥梁的震害主要是： （ 1）支座破坏 支座螺栓被剪断、被拔出；支座限位装置破坏；辊轴支座上、下摆错位 ，见图 2-2。 （ 2）墩台破坏 墩身出现贯通的环状裂缝；墩身混凝土局部崩裂；桥墩侧倾移位；桥台移位等 ，

6、见图2-2。 （ 3）落梁 本次地震引发的铁路桥梁落梁 较少 ，见图 2-2。 图 2-2-1 固定支座被剪坏 图 2-2-2 连续梁 盆式固定支座锚栓被剪坏 图 2-2-3 盆式支座横向限位器在地震中破坏 图 2-2-4 清江 7 号特大桥 桥墩破坏 （ 桥墩环向裂缝贯通） 交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料 4 图 2-2-5 桥墩偏位 、梁体倾斜 图 2-2-6 简支 梁（ 落梁 ） 图 2-2 铁 路桥梁 的震害图 3 汶川大地震的桥梁震害机理分析 3.1 “ 5.12”汶川大地震的特点 “ 5.12” 汶川大地震有如下特点： （ 1）震级很高（ 8 级）； （ 2）地震动峰值加速

7、度大（震中区高达 1.6g） ； （ 3）影响范围广（主震区长约 300 公里，宽约 30 40 公里） ； （ 4） 生命财产损失惨重 （ 死亡和失踪人数近 9 万人，经济损失超过 10000 亿人民币。其 中四川省灾区公路受损 2.2 万公里，国省干线公路 3391 公里受损桥梁 902 座） 。 3.2 “ 5.12”汶川大地震的桥梁震害 机理 分析 “ 5.12” 汶川大地震的桥梁震害特点 分析如下 ： （ 1） 公路桥梁震害重，铁路桥梁震害轻 铁路桥梁与公路桥梁 相比：前者活载 重 ，后者活载 轻 ，由此决定了 铁路桥梁的列车活载占整个桥梁的荷载比例较大，再加上列车的车桥振动的影响，

8、 有安全性和舒适性的硬性要求，因此， 铁路桥梁的桥墩往往设计得“又粗又大”，基础“又深又宽”；反观 公路桥梁 ，由于其 活载占整个桥梁的 荷载比例较小， 相 比较而言 的是 其桥墩的设计往往 是“又细又小”，基础是“又浅又窄” 。 基础的深浅，直接导致地震波的输入的大小，基础越深，越接近“基岩”，输入到结构上的地震动峰值加速度相对较小，基础越浅，越接近地表，输入到结构上的地震动峰值加速度是经过放大了的，比基岩处的要大。 公路桥梁桥墩和基础的易损性和输入较大的场地地震动参数 的实际情况，决定了公路桥梁在地震作用下的危害性较大；相对地，铁路桥梁桥墩和基础的特点，导致其抗震性能的提高，再加上输入较小

9、的场地地震动参数的实际情况，因此，铁路桥梁在地震作用下的危害性交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料 5 相对较小。 （ 2） 桥梁 的 震害具有明显的方向性 此次汶 川大地震，造成了震 中 区大量的公路桥梁的破坏， 而地处震中区的广岳铁路也未能幸免，可见，在地震震中区，由于场地的地震波能量巨大，无论什么结构均要受到严峻的考验，都要发生较大地破坏； 但 与断裂带几乎平行的 成绵高速公路和广绵高速公路上的 公路和铁路 桥梁的震害并不十分严重，与成绵高速和广绵高速几乎平行的宝成铁路线上的铁路桥梁震害，除了部分铁路桥梁的支座出现损坏外，其余的部位受损情况并不 十分 严重 ， 因此此次汶川大地震的地震

10、具有明显的方向性。 （ 3） 地震次生灾害山体滑坡和崩塌对沿溪 沿河的 桥梁损害较大。 此次汶川大地震 的次生灾害主要是 山体滑坡和崩塌，巨大的滑坡体和崩塌的岩石摧毁 建于沿溪沿河的众多 桥梁， 乃是这次发生在大山深处的汶川大地震的桥梁震害特点之一。 4 地震动峰值 加速度 较高地区的 铁路 桥梁抗震设计的启示与建议 现阶段，虽然铁路桥梁与公路桥梁的抗震设计规 范有一些不同，但铁路桥梁和公路桥梁的抗震设计的基本 理论 是相同的。 在铁路桥梁的设计阶段，一般包括 预可研究、 工可研究、初步设计、施工图设计等几个阶段 ， 2006 年之前，铁路桥梁的抗震设计主要依据铁路工程抗震设计规范（ GBJ1

11、11-87） （以下简称 87 铁工震规或老规范） ，在 2006 年 12 月 1日 之后，铁路桥梁的抗震设计主要依据 铁路工程抗震设计规范（ GB 50111-2006） （以下简称 06 铁工震规或新规范） 。 “震害是最好的老师”， 从此次汶川大地震的震中区的桥梁 震害 ，我们 得到了诸多的启示和值得进一步关注的主要问题。 4.1 在工可研究阶段强化抗震概念设计，选择合理的桥位和桥型 铁路桥梁 工程可行性研究阶段，主要 是解决桥位问题，同时也要考虑桥型问题，那么，在 地震 动 峰值加速度较大的地区，对桥位和桥型究竟如何考虑？是摆在设计人员面前的一个重要问题。从汶川大地震的桥梁震害，我们

12、得到如下的启示 和建议 ： （ 1）在工可阶段应强化抗震概念设计 铁路桥梁的抗震概念设计包括正确的桥位场地 选择、合理的结构选型和布置、恰当的结构体系的采用。 （ 2） 桥位场地的选择 要基于桥址处场地的地质和地形条件，高山峡谷地区的桥梁 要注意大地震后的次生灾害山体的滑坡、 崩塌和泥石流 ；基础应建在岩石或坚硬的冲积层上。 （ 3） 合理的结构选型和布置 交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料 6 由于弯坡桥梁使地震反应复杂化，桥轴线尽可能 设计成 直 线；简支梁容易落梁，桥面应是连续的 ， 尽可能少用伸缩缝； 或设置防落梁装置； 桥跨应尽量布置成小跨径；桥台和桥墩应与桥轴线垂直。 （ 4）

13、 恰当的结构体系的采用 结构体系的合理与否，直接关系到结构各部位的地震作用大小，理想的桥梁结构应是越简单和越规 则 越好，传力途径要短，受力要简明。 4.2 在初步设计阶段强化抗震计算设计，确定合适的设防标准和验算准则 铁路桥梁 初步设计阶段，主 要是解决桥型方案问题，那么，在地震 动 峰值加速度较大的地区，对结构的抗震性能 究竟如何 确定 ？ 也是摆在设计人员面前的一个重要课题 。从汶川大地震的桥梁震害，我们得到如下的启示和建议： 4.2.1 铁路桥梁的抗震设防标准 4.2.1.1 铁路桥梁的抗震设防标准的概念 铁路桥梁的抗震设防指为使桥梁工程在地震作用下能按设计要求 实现预定功能所采取的防

14、御措施，而桥梁的抗震设防标准即：桥梁按照规定的可靠性要求和技术经济水平所确定的抗震技术要求，一般由设计地震动参数及建筑使用功能的重要性确定。抗震设防标准是衡量结构抗震设防要求高低的尺度，直接关系到桥梁结构的安全度和工程造价的大小，是不能回避的问题。 4.2.1.2 建筑的抗震设防重要性类别 建筑的抗震设防类别重要性的划分，是按建筑物对社会、政治、经济和文化影响程度来划分的， 参照 建筑工程抗震设防分类标准 (GB 50223-2008)的 第 3.0.2 条 和第 3.0.3 条（ 均为 强制性条款） ，建筑根据其使用功能的重要性按表 4-1 进行 归纳 分类。 表 4-1 各类建筑按其使用功

15、能的抗震设防重要性的分类 抗震设防重要性分类 使用功能的重要性 抗震设防标准 地震作用 抗震措施 特殊设防类（ 简称 甲类 ） 重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。 高于本地区抗震设计基本地震加速度值 gA 的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定。 当 3.005.0 gA 时，应按 4.01.0 gA的要求；当 gA =0.4 时，应按 gA 0.4 的要求。 如：大型关键桥梁；危险品仓库。 重点设防类（ 简称 乙类 ） 地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。 符合本地区抗震设计基本地震加速度值 gA 的要求。 当 3.005.0 gA 时，应按 4.01.0 gA的要

16、求。 如：医院、发电厂、自来水厂。 标准设防类（ 简称 丙类 ） 一般建筑 符合本地 区抗震设计基本地震加速度值 gA 的要求。 如：一般的工业和民用建筑 适度设防类（ 简称 丁类 ） 抗震次要建筑。 符合本地区抗震设计基本地震加速度值 gA 的要求。 设计基本地震加速度值gA 减半，但最小值不得小于 0.05。 如：一般仓库 交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料 7 从表 4-1 可以看出：由建筑重要性确定的抗震设防类别决定了建筑抗震设计采用的地震作用大小和应采用的抗震措施的等级，并且地震作用随抗震设防类别的不 同可在设计基本地震加速度值的基础上成倍增大（如甲类）。 由建筑工程抗震设防分类

17、标准 (GB 50223-2008)的 5.3.7 条知，城镇交通设施的抗震设防类别规定如下： 在交通网络中占关键地位、承担交通量大的大跨度桥应划为 特殊设防类（ 甲类 ） ； 处于交通枢纽的其余桥梁应划为 重点设防类（ 乙类 ） 。 在 参考 文献 （ 3）中 ： 按 桥梁重要性类别规定 了 年限 mjT ，根据这个年限和给定的超越概率，可确定相应重要性类别的设计地震动参数，一般地，对重要性类别为丙类的建筑，取mjT =50 年；乙类的建筑，取 mjT =100 年；甲类的建筑，取 mjT =200 年。 考虑到目前我国的经济水平，同时也考虑到 参考依据（ 3）中 “ mjT 是由桥梁重要性

18、类别规定的年限”，与 桥梁设计规范中的 “桥梁结构 设计基准期 Y ”不完全一致。参考国内外同类型桥梁的抗震设防标准，本文将特大桥由“甲类”建筑降为“乙类”建筑 进行抗震设防；将大中小桥结构为“乙类”建筑降为“丙类”建筑进行抗震设防。 故 本文 建议如下： 铁路 大桥主桥的抗震设防地震的 概率水平：小震 （多遇地震） 为 100 年超越概率 63.2%，中震 （常遇地震） 为 100 年超越概率 10%，大震 （罕遇地震） 为 100 年超越概率 3%； 铁路大桥引桥的抗震设防地震的 概率水平：小震 （多遇地震） 为 50 年超越概率 63.2%，中震 （常遇地震） 为 50 年超越概率 10

19、%，大震 （罕遇地震） 为 50 年超越概率 2%， 铁路桥梁的抗震设防标准 见表 4-2。 表 4-2 铁路桥梁 抗震设防标准 小震（多遇地震） 中震（ 设计地震） 大震（罕遇地震） 概率水平 重现期 概率水平 重现期 概率水平 重现期 主桥 100 年超越概率 63.2% 100 年 100 年超越概率 10% 950 年 100 年超越概率 3% 3283 年 引桥 50 年超越概率 63.2% 50 年 50 年超越概率 10% 475 年 50 年超越概率 2% 2475 年 依据 06 铁工震规 的第 3.0.3 条， 铁路桥梁 在不同地震动水准下的抗震设防目标 见表4-3。 表

20、4-3 铁路桥梁 主桥和引桥结构抗震设防目标 抗震设防概率水准 抗震设防部位 抗震设防目标 多遇地震 主 桥 100Y63.2% 桥梁结构 处于弹性工作阶段，地震后不损坏或轻微损坏，能够保持其正常使用功能。 引桥 50Y63.2% 设计地震 主 桥 100Y10% 桥梁上、下部连接构造 处于非弹性工作阶段，地震后可能损坏，经修补，短期内能恢复其正常使用功能。 引桥 50Y10% 罕遇地震 主 桥 100Y3% 钢筋砼桥墩 处于弹塑性工作阶段，地震后可能产生较大破坏，但不出现整体倒塌，经抢修后限速通车。 引桥 50Y2% 交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料 8 4.2.2 铁路桥梁的抗震验算

21、准则 4.2.2.1 铁路桥梁的抗震规范的验 算内容 在 06 铁工震规 中提到铁路工程应按多遇地震、设计地震、罕遇地震三个水准进行抗震设计。 桥梁按多遇地震进行桥墩、基础的强度、偏心及稳定性验算；按设计地震验算上、下部结构连接构造的强度；按罕遇地震进行最大位移分析，并对钢筋混凝土桥墩进行延性验算。不同结构桥梁的抗震设计内容如表 4-4（ 06 铁工震规的表 7.1.2） 所示。 表 4-4 06 铁工震规中 桥梁抗震设计验算内容 结构形式 多遇地震 设计地震 罕遇地震 简 支 梁 桥 混凝土桥墩 墩身及基础：强度、偏心及稳定验算 验算连接构造 一般不验算；但应增设护面钢筋 钢筋混凝土桥墩 墩

22、身及基础：强度及稳定验算 验算连接构造 可按简化法进行延性验算 其他梁式桥及重要桥梁 墩身及基础：强度、偏心及稳定验算 验算连接构造 钢筋混凝土桥墩：按非线性时程反应分析法进行下部结构延性验算或最大位移分析 从 表 4-4 可以看出： 06 铁工震规 似 放宽了抗震验算的条件即用多遇地震来验算强度及稳定 。 4.2.2.2 铁路桥梁的地震响应计算 （ 1） 06 铁工震规 的地震作用反应谱计算公式 gggTTTgTTTTTTsSTTT545.0525.21.025.21.005.120.1)g（ （ 1） 公式（ 1）对应的阻尼比同样为 5，地震动反应谱特征周期 Tg的取值变化见表 4-5。

23、表 4-5 06 铁工震规 地震动反应谱特征周期 Tg（ s） 反应谱特征周期 分区 场地类别 一区 0.25 0.35 0.45 0.65 二区 0.3 0.4 0.55 0.75 三区 0.35 0.45 0.65 0.9 （ 2） 结构地震 响应 的计算公式 06 铁工震规 采用反应谱法对桥梁进行水平地震计算公式： iijjjNijE mxF （ 2） （ 2）式中 指水平地震基本加速度，取值见表 4-6。对于重要桥梁， 06 铁工震规规定： 在多遇地震作用下， 值应乘以重要性系数 1.4。 交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料 9 表 4-6 06 铁工震规 水平地震基本加速度 值

24、设防烈度 6 度 7度 8度 9 度 设计地震（ Ag） 0.05g 0.1g 0.15g 0.2g 0.3g 0.4g 多遇地震 0.02g 0.04g 0.05g 0.07g 0.1g 0.14g 罕遇地震 0.11g 0.21g 0.32g 0.38g 0.57g 0.64g 4.2.3 铁路桥梁的抗震 计算设计的建议 (1) 地震的不确定性，导致桥梁结构抗震计算的 失真 地震运动是由震源 传播介质体 场地地质体一系列变化多端的因素综合形成的，它是极为复杂的和不确定的模糊事件，此次汶川大地震 ，造成了震区大量的公路桥梁的破坏，但成绵高速公路和广绵高速公路上的 桥梁的震害并不十分严重，与成

25、绵高速和广绵高速几乎平行的宝成铁路线上的铁路桥梁震害，除了部分铁路桥梁的支座出现损坏外，其余的部位受损情况并不严重。 因此，桥梁结构的抗震计算 严格来说目前仍是近似仿真计算，其计算的准确性有待于在如下方面进行深化： 大桥桥址处地震波的合理选择； 由于受动荷载作用下材料的超强问题导致结构的抗震性能的提高； 桩 土相互作用、多点激励、行波效应 等对结构地震响应的影响 ； 支座的传力和耗能能力的模拟 鉴于上述原因，在现阶段，抗震计算设计 与抗震概念设计和抗震构造设计相比较，后者更 显重要 。 （ 2） 重视桥墩及其基础的延性设计 从历次大地震对铁路桥梁的破坏情况来看，桥梁震害主要发生 位置如下 ：

26、上、下部结构之间的连接处 支座； 桥墩与承台交接处 墩底； 桥墩与 桩基础 交接处 桩顶 ； 延性设计是减轻结构地震响应的有效途径之一，因此，铁路桥梁的抗震计算设计应重视桥墩及其基础的延性设计。 4.3 在施工图设计阶段强化抗震构造设计，重视抗震构造措施和构造细节 铁路桥梁施工图设计阶段，主要是解决各构件的结构计算和结构设计详图问题，那么，在地震 动 峰值加速度较大的地区，对结构的 设计详图究竟如何绘制？也是设计人员必须重视的问题。从汶川大地震的桥梁震害，我们得到如下的启示和建议： （ 1） 施工图设计阶段的 抗震设防主要是上部结构要加强防落梁措施，可以采用加大挡块厚度，且在挡块与梁体之间设缓

27、冲橡胶垫块，厚度不小于 2.5cm，挡块主筋最好采用不小于 25 的二级钢筋，箍筋采用 12 的二级钢筋。 交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料 10 挡块的厚度 的设计 ， 不是越厚越好。必须保证其抗剪强度与墩身强度相匹配， 按“小震、中震不坏，大震 要 坏”的设计原则确定其 结构 尺寸。 （ 2） 对于 连续梁的 下部结构， 由于矮墩刚度较高墩大，地震 波 传来时，矮墩 的地 震响应 （剪力） 比高墩大很多 ，因此要 重视一联中矮墩的设计， 必要时采取隔震技术，以减小矮墩的地震响应。 （ 3） 墩及桩基础箍筋 等 构造细节的有关建议 建议桥墩及桩基础箍筋采用 12 的二级钢筋 ； 建议在

28、盖梁下 1 倍 桥 墩直径 范围 、 承台 以上 3 倍 桥 墩直径 范围 、 承台以 下 5 倍桩直径 的范围内对箍筋进行加密 ，加密 区域的 箍筋采用 10cm 间距，其余地方可以采用 20cm 间距。 （ 4） 应重视桥梁刚度突变处的构造设计 应重视系梁的设计及施工，系梁在抗震中还是起到很大 作用。系梁施工时候最好应和桥墩或桩基一次性浇注，加强整体性， 汶川大地震中 部分桥梁的 系梁的破坏 与 施工 缝有关。 5 地震动峰值 加速度 较高地区的铁路桥梁 的减隔震技术的应用研究 5.12 汶川大地震后，中国铁道学会 于 2008年 8月 27 28 日 在成都召开了 “ 地震灾害对铁路的影

29、响及对策学术研讨会 ”， 与会专家普遍认为：铁路桥梁应加强“减隔震技术”的应用，用“减隔震”的设计理念代替传统的“抗震”设计理念。 与房屋和公路桥梁不同的是，铁路桥梁有列车行驶的安全性和舒适性的 特别 要求， 为了满足这一特别要求，铁路 桥梁结构 必须 具备“刚度大” 的特点 ， 即要求结构具有足够的横向 刚度，与此相 对应的是 ：铁路桥梁因刚度大导 致其结构的 地震响应比公路桥梁的地震响应大得多，为了减小结构的地震响应，采用减隔震技术就成了必然的选择途径之一；但隔震技术是以延长结构自振周期来实现的， 可见， 减小结构的地震响应要求结构变“柔” ，保证桥梁的正常安全运营要求结构变“刚”，二者的要求正好相反，因此， 如何处理好铁路桥梁结构的抗震性能和横向刚度这一对矛盾，是 隔震技术在铁路桥梁中 能否广泛应用的关键所在。 5.1 减隔震技术的机理 减小铁路桥梁结构地震响应的有效途径主要有如下两条： 延性设计方法，通过在构件的合适位置设定塑性铰和仔细设计构件的细部构造，可以达 到在地震作用下结构的整体性和防止结构倒塌的发生。 但 采用延性设计，不可避免地使结构出现损伤。 结构控制方法，包括被动控制技术、主动控制技术、混合控制技术等 ，近几十年来发展起来的减隔震技术是运用结构被动控制的原理在土木工程结构中实现减小结构地震响应的 有效方法 。